(57)【要約】装置、システム、および方法は、液体金属に磁気流体力学的力を印加して、物体の付加的な製造の一部として制御された三次元パターンのような制御パターンに沿って液体金属を放出することに関する。磁気流体力学的力をパルス化して、液体金属の液滴を放出し、製造される物体の精度を制御することができる。パルセーションは、商業的に実行可能な三次元製造に適した速度で液体金属の放出に適した高周波を含む、広範囲の周波数にわたって液滴の放出が効果的に制御され得るように、高い共振周波数を有する流体チャンバに適用することができる。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属を噴射するためのノズルであって、
入口領域および排出領域を有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、
前記ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、前記ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、
前記入口領域と前記排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、電流は、少なくとも前記排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接する点において、前記電極から前記燃焼チャンバに導通可能であり、また、前記電流は、前記排出オリフィスにほぼ隣接する点において、前記燃焼チャンバ内の磁場と交差して液体金属を前記排出オリフィスから噴射する電極と、
を含むノズル。
【請求項２】
前記燃焼チャンバと前記排出オリフィスとの間の前記流体チャンバの容積は、前記流体チャンバの総容積の約１０％未満である、請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
前記燃焼チャンバの容積は、前記流体チャンバの総容積の約５０％超である、請求項１に記載のノズル。
【請求項４】
前記流体チャンバは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満の軸方向長さを有する、請求項１に記載のノズル。
【請求項５】
少なくとも１つの電極および前記流体チャンバの少なくとも１つを画定する前記ハウジングの一部が、同一の材料から形成されるように、前記電極の少なくとも１つは、前記流体チャンバの少なくとも一部を画定する前記ハウジングの一部と一体形成される、請求項１に記載のノズル。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極および前記排出領域を画定するハウジングの一部が、同一の材料から形成されるように、前記電極の少なくとも１つは、前記流体チャンバの少なくとも前記排出領域を画定する前記ハウジングの一部と一体形成される、請求項５に記載のノズル。
【請求項７】
前記ハウジングは導電性材料のロッドであり、電流は、前記ロッドの軸方向寸法に平行な軸線に沿った前記電極間で導通可能である、請求項１に記載のノズル。
【請求項８】
前記燃焼チャンバは、液体金属の前記入口領域から前記排出領域に向かう移動方向に垂直な平面内にほぼ長方形の断面を含み、前記電極からの電流は、ほぼ長方形の断面に沿って液体金属に導通可能である、請求項１に記載のノズル。
【請求項９】
前記流体チャンバに沿って配置され、前記排出領域から離間されたフィルタを更に含む、請求項１に記載のノズル。
【請求項１０】
前記電極の少なくとも１つは、タンタル、ニオブ、またはそれらの組み合わせから形成される、請求項１に記載のノズル。
【請求項１１】
付加的な製造システムであって、
ハウジング、１つ以上の磁石、および電極を含むノズルであって、入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定し、前記１つ以上の磁石は、磁場を前記ハウジングを通じて指向し、前記電極は、前記入口領域と前記排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、電流が、前記排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接する点において、前記燃焼チャンバの磁場と交差するように、電流が電極から導通しているノズルと、
前記ノズルに機械的に結合されたロボットシステムと、
前記電極と電気通信している電源と、
前記ロボットシステムおよび前記電源と電気通信しているコントローラと、
を含み、前記コントローラは、
前記ロボットシステムを作動させて、前記ノズルの排出領域を制御された三次元パターンで位置付け、
制御された三次元パターンに沿った前記排出領域の位置付けに基づいて、前記電源を作動させて、前記電極にパルス電流を供給して、前記排出領域から液体金属を放出して三次元物体を形成するように構成された、システム。
【請求項１２】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記パルス電流は、前記ノズルの移動速度に基づく周波数を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記パルス電流は、三次元パターンの１つ以上の特徴に基づく周波数を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
付加的な製造方法であって、
ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバであって、入口領域および排出領域を有する前記流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングを通して磁場を指向するステップと、
前記排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップと、
制御された三次元パターンに沿った前記排出領域の位置に基づいて、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバ内で液体金属にパルス電流を導通させるステップと、
を含み、前記パルス電流は、前記流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも低い周波数であり、前記パルス電流は、電流のパルセーションが前記排出領域から液体金属を放出して三次元の物体を形成するように、前記燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向にある、方法。
【請求項１６】
前記パルス電流は、前記排出領域にほぼ隣接する前記燃焼チャンバ内の液体金属中に導通される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記流体チャンバ内の液体金属の共振周波数は、約１０ｋＨｚ超である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃焼チャンバの容積は、前記流体チャンバの容積の約５０％超である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記液体金属の電気抵抗率は、前記燃焼チャンバを画定する材料の電気抵抗率とほぼ類似している、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
液体金属を噴射するためのノズルであって、
入口領域および排出領域を有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、
前記ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、前記ハウジング上に支持される１つ以上の磁石と、
前記入口領域と前記排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、電流は、前記燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向に前記電極から前記燃焼チャンバに導通可能であり、前記流体チャンバの排出領域を画定する前記ハウジングの一部は、セラミック材料で形成される電極と、
を含む、ノズル。
【請求項２１】
前記セラミック材料は、アルミナ、サファイア、ルビー、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、および炭化ホウ素のうち１つ以上を含む、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２２】
前記排出領域から離れた前記流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの部分は、金属から形成される、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２３】
前記排出領域から離れた前記流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの一部は、セラミック材料から形成される、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２４】
前記燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する前記電極は、金属から形成される、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの電極および前記排出領域から離れた流体チャンバの少なくとも一部を画定する前記ハウジングの部分が、同じ材料から形成されるように、前記電極の少なくとも１つは、前記排出領域から離れた前記流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの一部と一体形成される、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２６】
前記燃焼チャンバは、前記排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接している、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２７】
前記燃焼チャンバの容積は、前記流体チャンバの総容積の約５０％超である、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２８】
前記電極は、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバの少なくとも一部に沿って配置されたライニングを含む、請求項２０に記載のノズル。
【請求項２９】
前記ライニングは、前記流体チャンバを画定する前記ハウジングの材料上にメッキされる、請求項２８に記載のノズル。
【請求項３０】
前記ライニングが配置される前記ハウジングの材料は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、アルミナ、チタンおよび炭窒化物のうち１つ以上を含む、請求項２８に記載のノズル。
【請求項３１】
前記燃焼チャンバと熱的に連通する少なくとも１つのヒータを更に含む、請求項２０に記載のノズル。
【請求項３２】
前記ヒータは、前記燃焼チャンバの少なくとも一部の周囲に配置される誘導コイルを含む、請求項３１に記載のノズル。
【請求項３３】
前記電極は第１材料から形成され、前記ハウジングは第２材料から形成され、前記第２材料は、前記第１材料よりも高い溶融温度を有する、請求項２０に記載のノズル。
【請求項３４】
前記電極は、タンタル、ニオブ、またはそれらの組み合わせから形成される、請求項２０に記載のノズル。
【請求項３５】
付加的な製造方法であって、
入口領域および排出領域を有する流体チャンバであって、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される前記流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、
前記排出領域を制御パターンで移動させるステップと、
制御パターンに沿った前記排出領域の配置に基づいて、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極を通る電流を導通させるステップと、
を含み、前記燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極は、前記燃焼チャンバを通じて移動する前記液体金属の抵抗率にほぼ等しい電気抵抗率を有し、前記排出領域を画定する前記ハウジングの一部は、前記排出領域を通じて移動する前記液体金属の抵抗率よりも実質的に大きい電気抵抗率を有しており、前記電極を通じて導通される電流は、前記燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向に沿って前記液体金属中に導通され、前記液体金属の少なくとも一部を前記排出領域から放出する、方法。
【請求項３６】
液体金属を噴射するためのノズルであって、
入口領域および排出オリフィスに隣接するスロートを有する排出領域を含む流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、
前記ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、前記ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、前記排出オリフィスに隣接するハウジングの外面は、前記電極によって画定される前記燃焼チャンバの少なくとも一部において安定的に支持可能な液体金属に関して実質的にノンウェッティングであるフィルムを含む電極と、
を含む、ノズル。
【請求項３７】
前記燃焼チャンバで安定的に支持可能な前記フィルムと液体金属との間の接触角は、約９０度超である、請求項３６に記載のノズル。
【請求項３８】
前記スロートを画定する前記ハウジングの材料は、前記燃焼チャンバ内で安定的に支持可能な液体金属に対して濡れ性を有する、請求項３６に記載のノズル。
【請求項３９】
前記燃焼チャンバ内で安定的に支持可能な液体金属は、前記スロートを画定する前記ハウジングの材料よりも、前記フィルムとの接触角がより大きい、請求項３８に記載のノズル。
【請求項４０】
前記スロートは、ほぼ円筒形であり、前記スロートの直径は、前記排出オリフィスの直径とほぼ同じである、請求項３８に記載のノズル。
【請求項４１】
前記フィルムは、前記排出オリフィスに隣接する前記ハウジングの部分と一体形成される、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４２】
前記フィルムは、前記スロートを画定する前記ハウジングの部分を形成する材料の酸化物を含む、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４３】
前記フィルムは、酸化タンタルおよび酸化クロムのうち１つ以上を含む、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４４】
前記フィルムは、アルミニウム、アルミニウム合金、およびはんだのうち１つ以上に対して非濡れ性を有する、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４５】
前記電極の少なくとも１つおよび前記ハウジングの一部が同じ材料で形成されるように、前記電極の少なくとも１つは、前記電極の少なくとも１つに隣接する前記ハウジングの一部に一体形成される、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４６】
前記１つ以上の磁石は、磁場が前記燃焼チャンバを通じて指向されるように配置され、前記電極は、前記電極から前記燃焼チャンバ内に導通された電流が前記燃焼チャンバ内の磁場と交差するように配置される、請求項３６に記載のノズル。
【請求項４７】
付加的な製造方法であって、
入口オリフィスおよび排出オリフィスを有し、また前記排出オリフィスに隣接するスロートを有しており、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、
前記流体チャンバ内の燃焼チャンバ内の液体金属に電流をパルス化するステップと、
を含み、パルス電流は、前記燃焼チャンバ内の磁場と交差して、前記排出オリフィスから前記液体金属を放出させ、前記液体金属中への電流のパルセーションの間、前記スロートは前記液体金属によって湿潤され、前記排出オリフィスを画定する前記ハウジングの外面は、前記液体金属によって実質的に湿潤されない、方法。
【請求項４８】
前記排出オリフィスを画定する前記ハウジングの外面は、前記スロートを画定する前記ハウジングの材料の酸化物のフィルムを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記フィルムは、酸化タンタルおよび酸化クロムのうち１つ以上を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記液体金属と、前記排出オリフィスを画定する前記ハウジングの外面との間の接触角は、前記液体金属と、前記スロートを画定する前記ハウジングの材料との間の接触角よりも大きい、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記液体金属と、前記排出オリフィスを画定する前記ハウジングの外面との間の接触角は、約９０度超である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記液体金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、およびはんだのうち１つ以上を含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５３】
前記パルス電流は、約１０ｋＨｚ未満の最大周波数を有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項５４】
構築面に対して制御された三次元パターンで前記ハウジングを移動させて、三次元物体を形成するステップを更に含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５５】
入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの液体金属に第１電流を供給するステップと、
を含み、揺らぎ電流を含む前記第１電流は、前記液体金属内の磁場と交差して、前記排出領域に取り付けられたメニスカス上にパルス力を印加し、前記排出領域に取り付けられる液体金属上のパルス力は、前記排出領域に取り付けられたメニスカスを跳躍させる、方法。
【請求項５６】
前記排出領域は、排出オリフィスおよびスロートを含み、前記メニスカスは、前記スロートおよび前記排出オリフィスのうち１つ以上に取り付けられている、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記メニスカスに印加されるパルス力は、前記メニスカス上に形成される金属酸化物層を破壊するのに十分な大きさを有し、前記金属酸化物層は、液体金属の金属の酸化物を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記ハウジング内の液体金属への前記第１電流の供給期間に少なくとも部分的に基づいて、前記液体金属を前記排出領域を通じて放出するステップを更に含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５９】
前記液体金属は、所定の時間だけ、前記排出領域から放出される、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記燃焼チャンバ内の液体金属に第２電流を供給するステップを更に含み、前記第２電流は、前記液体金属中の磁場と交差して、前記液体金属を前記排出領域を通じて放出して物体を形成する、請求項５５に記載の方法。
【請求項６１】
前記第２電流は、前記第１電流のパルス電流とは異なるパルス電流を含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
物体の製造に対応する制御パターンに沿って前記排出領域を移動するステップを更に含み、液体中に前記第２電流を供給するステップは、制御パターンに沿った前記排出領域の位置に基づいている、請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
前記制御パターンは、三次元パターンを含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記燃焼チャンバ内の液体金属内に前記第２電流を供給するステップは、制御されたパターンに沿って前記排出領域の位置に少なくとも部分的に基づいて、パルス電流と直流との間で切り換えるステップを含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、前記ハウジングは入口領域および排出領域を有する流体チャンバを少なくとも部分的に画定し、前記磁石の磁場を伴って前記ハウジングに関連して配置される磁石は、前記流体チャンバを通じて延在し、前記電極は、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、前記電極からの電流が燃焼チャンバの磁場と交差するように、前記電極を前記磁石に関連して配置したノズルと、
前記ノズルに機械的に連結されたロボットシステムであって、前記排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムと、
前記ノズルの電極と電気通信する電源と、
前記ロボットシステムおよび前記電源と電気通信するコントローラと、
を含み、前記コントローラは、
前記ロボットシステムを作動させて、前記排出領域を物体の製造に対応する制御パターンに沿って配置し、
前記電極を通じて前記燃焼チャンバの液体金属内に第１電流を供給し、前記第１電流は、前記燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差するパルス電流を含むことで、前記排出領域に取り付けられた液体金属のメニスカスにパルス力を生じさせ、
前記排出領域の移動における制御パターンに沿って、前記電極を通じて前記燃焼チャンバ内の液体金属に第２電流を供給し、前記第２電流は、前記液体金属中の磁場と交差して、前記液体金属を前記排出領域を通じて放出して、物体を形成するように構成される、製造システム。
【請求項６６】
前記コントローラは、更に、前記電極を通じて前記燃焼チャンバ内の液体金属内に第３電流を供給するように構成され、前記第３電流は、前記液体金属中の磁場と交差して、制御パターンから離れた前記排出領域の位置にて、前記排出領域を通じて前記液体金属を放出する、請求項６５に記載のシステム。
【請求項６７】
前記コントローラは、前記燃焼チャンバ内の液体金属内への前記第１電流の供給期間に少なくとも部分的に基づいて、前記第３電流を供給するように構成される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記コントローラは、前記第１電流の供給から前記第２電流の供給への切り替えの間に、前記第３電流を供給するように構成される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６９】
前記コントローラは、第３電流を所定期間だけ供給するように構成することができる、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７０】
前記制御パターンは、三次元パターンを含む、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７１】
付加的な製造方法は、
入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、
前記排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップと、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバを少なくとも部分的に画定する電極間に電流を供給するステップであって、前記電流は前記燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差して、前記排出領域から前記液体金属を放出するステップと、
制御された三次元パターンに沿った前記排出領域の位置に基づいて、放出された液体金属の集積物の１つ以上の所定の部分の多孔率を、構築面上または予め堆積された金属層上で制御するステップと、を含む方法。
【請求項７２】
前記放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、蓄積中の支持構造と三次元物体との間のインタフェースを形成するステップを含み、前記支持構造および前記三次元物体は、前記インタフェースよりも多孔率が低い、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記インタフェース、前記支持構造および前記三次元物体は、同じ材料で形成される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記インタフェースは、前記三次元物体に対して脆弱性を有する、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
圧縮力およびせん断力のうち１つ以上を前記インタフェースに印加することによって、前記支持構造から前記三次元物体を分離するステップを更に含む、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７７】
前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、前記燃焼チャンバ内の液体金属に供給される電流の大きさを変化させるステップを含む、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、前記電流をパルス化するステップを含む、請求項７６に記載の方法。
【請求項７９】
前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、前記電流のパルスの大きさおよび持続時間のうち少なくとも１つを変化させるステップを含む、請求項７６に記載の方法。
【請求項８０】
前記放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、前記排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項８１】
前記排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップは、前記放出された液体金属の温度を低下させて、前記構築面上または以前に堆積された金属層上に、放出された液体金属の蓄積の所定の部分多孔率を増加させるステップを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
１つ以上のプロセッサ上で実行する際に、非一過性の記録媒体に組み込まれた非一時的コンピュータ実行可能コードを含むコンピュータプログラム製品であって、
制御された三次元パターンでハウジングの排出領域を移動させるステップと、
電極によって少なくとも部分的に画定された燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップであって、前記供給された電流を前記燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差させて、前記燃焼チャンバと流体連通して液体金属を前記排出領域から放出するステップと、
制御された三次元パターンに沿った前記排出領域の位置に基づいて、基板上または予め堆積された金属層上における、前記放出された液体金属の堆積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップと、
のうちのステップを実行する、コンピュータプログラム製品。
【請求項８３】
前記放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップを含む、請求項８２に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８４】
前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、前記電流の大きさを変化させるステップを含む、請求項８３に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８５】
前記燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、前記電流をパルス化するステップを含む、請求項８３に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８６】
前記排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、前記電流のパルスの大きさおよび持続時間のうち少なくとも１つを変化させるステップを含む、請求項８５に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８７】
前記噴射された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、前記排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップを含む、請求項８２に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８８】
前記排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップは、前記放出された液体金属の温度を低下させて、前記基板上または前記以前に堆積された金属層上の放出された液体金属の蓄積の所定の部分の多孔率を増加させるステップを含む、請求項８７に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項８９】
液体金属を噴射するためのノズルであって、
入口領域および排出領域を有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、
前記ハウジングを貫通する磁石の磁場を伴う、前記ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、前記電極間に伝導された電流は、前記燃焼チャンバ内の液体金属中の磁場と交差して、前記排出領域から前記液体金属を放出する電極と、
前記１つ以上の磁石のうち少なくとも１つと前記ハウジングとの間に配置される断熱層であって、絶縁層を取り付け可能な前記ハウジングの一部の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱層と、
を含む、ノズル。
【請求項９０】
前記ハウジングは、前記電極間に電流が導通される方向に沿った方向よりも、磁場が前記ハウジングを貫通する方向に沿って、より薄い、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９１】
前記１つ以上の磁石は、前記燃焼チャンバから約２ｍｍ未満である、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９２】
前記断熱層は、約０．８ｍｍ〜約１．２ｍｍの厚さである、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９３】
前記断熱層は、シリカセラミックおよびアルミナ−シリカセラミックのうち１つ以上を含む、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９４】
前記断熱層は、前記磁石によって前記ハウジングに印加される磁力によって固定されている、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９５】
前記断熱層は、約０．０１５Ｗ／ｍ−Ｋ超かつ約０．１Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９６】
前記１つ以上の磁石は、前記ハウジングから離間されたヒートシンクと熱的に連通している、請求項８９に記載のノズル。
【請求項９７】
前記ヒートシンクは、前記ヒートシンクを通じて移動して、前記１つ以上の磁石から熱を奪う冷却流体を含む、請求項９６に記載のノズル。
【請求項９８】
前記１つ以上の磁石から熱を奪うために前記ヒートシンクに指向されたファンを含む、請求項９６に記載のノズル。
【請求項９９】
前記１つ以上の磁石は、固定磁石および電磁石のうち１つ以上を含む、請求項８９に記載のノズル。
【請求項１００】
付加的な製造方法であって、
入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定された流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
断熱層を介して前記ハウジングに連結される少なくとも１つの磁石の磁場強度の損失に関連する温度よりも高い温度に液体金属を加熱するステップと、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバを画定する電極間の加熱された液体金属に電流を供給するステップと、
少なくとも１つの磁石からの磁場を燃焼チャンバ内の加熱された液体金属に指向し、前記磁場が前記燃焼チャンバ内の電流と交差して、前記排出領域から前記液体金属を放出するステップと、
を含む方法。
【請求項１０１】
前記少なくとも１つの磁石は、前記燃焼チャンバから約２ｍｍ未満である、請求項１００に記載の方法。
【請求項１０２】
前記断熱層は、前記少なくとも１つの磁石と前記ハウジングとの間の磁力によって固定される、請求項１００に記載の方法。
【請求項１０３】
前記少なくとも１つの磁石を冷却するステップを更に含む、請求項１００に記載の方法。
【請求項１０４】
前記少なくとも１つの磁石を冷却するステップは、前記少なくとも１つの磁石と熱的に連通するヒートシンクを介して、前記少なくとも１つの磁石から熱を除去し、前記ハウジングから離間させるステップを含む、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記少なくとも１つの磁石から熱を除去するステップは、前記ヒートシンクを通じて冷却流体を移動させるステップを含む、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
前記少なくとも１つの磁石から熱を除去するステップは、強制対流冷却のために前記ヒートシンク上に空気を強制的に流すステップを含む、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０７】
前記少なくとも１つの磁石は、固定磁石および電磁石のうち１つ以上を含む、請求項１００に記載の方法。
【請求項１０８】
前記ハウジングは、前記電流の方向に沿うよりも前記磁場の軸線に平行な方向に、より薄い、請求項１００に記載の方法。
【請求項１０９】
付加的な製造方法であって、
入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定された流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングに磁場を指向するステップと、
前記排出領域を制御パターンで移動させるステップと、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極間に電流を供給するステップであって、前記電流は前記燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差して、前記排出領域から液体金属を放出するステップと、
制御パターンに沿った排出領域の位置に基づいて、パルス電流と直流との間の電流を制御して物体を形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１１０】
前記制御パターンは三次元パターンであり、前記物体は三次元物体である、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記電流は、形成される物体の境界に沿ってパルス電流になるよう制御される、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１２】
前記電流は、前記排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに直流になるように制御される、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１３】
前記パルス電流の周波数は、前記流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも小さい、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１４】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の移動速度に基づく、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１５】
前記パルス電流の周波数は、前記制御パターンのエッジからの距離に基づく、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１６】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満である、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１７】
前記パルス電流から直流に切り替えることにより、前記排出領域から放出される液体金属の質量流量を増加させる、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１８】
１つ以上のプロセッサ上で実行するときに、非一過性の記録媒体に組み込まれた非一時的コンピュータ実行可能コードを含むコンピュータプログラム製品であって、
制御されたパターンでノズルの排出領域を移動させるステップと、
前記排出領域と流体連通している燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極間に電流を供給するステップであって、前記電流は前記燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差して、前記排出領域から前記液体金属を放出するステップと、
制御されたパターンに沿った前記排出領域の位置に基づいて、前記燃焼チャンバ内の前記液体金属内に供給される前記電流を制御するステップであって、前記電流をパルス電流と直流との間で制御して物体を形成するステップと、
のうちのステップを実行する、コンピュータプログラム製品。
【請求項１１９】
前記電流は、形成される前記物体の境界に沿ってパルス電流になるよう制御される、請求項１１８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１２０】
前記電流は、前記排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに直流になるように制御される、請求項１１８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１２１】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の移動速度に基づく、請求項１１８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１２２】
前記パルス電流の周波数は、制御された三次元パターンのエッジからの距離に基づく、請求項１１８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１２３】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満である、請求項１１８に記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１２４】
付加的な製造システムであって、
ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、前記ハウジングは入口領域および排出領域を有する流体チャンバを少なくとも部分的に画定し、前記磁石は前記ハウジングを貫通する前記磁石の磁場を伴って前記ハウジングに関連して配置され、前記電極は、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の前記燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、前記電極は、前記電極間に供給された電流が前記燃焼チャンバの磁場と交差するように、前記磁石に関連して配置されるノズルと、
前記ノズルに機械的に連結されたロボットシステムであって、前記排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムと、
前記ノズルの電極と電気通信する電源と、
前記電源と電気通信するコントローラと、
を含む、前記コントローラは、
前記ロボットシステムを作動させて、前記排出領域を制御パターンに配置し、
前記電極から前記燃焼チャンバの液体金属内に電流を供給し、
前記制御パターンに沿った前記排出領域の位置に基づいて、制御された電流が前記燃料チャンバ内の液体金属内に供給され、前記電流をパルス電流と直流との間で制御して、物体を形成するように構成される、システム。
【請求項１２５】
前記電流は、形成される前記物体の境界に沿ってパルス電流となるよう制御される、請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２６】
前記電流は、前記排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに、直流になるように制御される、請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２７】
前記パルス電流の周波数は、前記排出領域の移動速度に基づく、請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２８】
前記パルス電流の周波数は、制御パターンのエッジからの距離に基づく、請求項１２４に記載のシステム。
【請求項１２９】
製造システムであって、
入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定するハウジングと、
前記ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、前記ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、
前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の前記燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、前記電極間を流れる電流が前記燃焼チャンバ内の磁場と交差して、前記排出領域から液体金属を放出するように、前記磁石に対して配置される電極と、
を含むノズルと、
前記ノズルに結合され、前記排出領域を制御パターンに沿って配置するように移動可能なロボットシステムと、
金属ワイヤと係合可能なフィーダシステムであって、液体金属が制御パターンに沿って前記排出領域から放出されて物体を形成する際に、前記入口領域を介して、前記金属ワイヤを前記流体チャンバ内に指向するように作動可能なフィーダシステムと、
を含む、システム。
【請求項１３０】
前記フィーダシステムは、前記金属ワイヤと係合可能な複数のローラを含み、前記複数のローラは、前記金属ワイヤを前記流体チャンバ内に供給するように回転可能である、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１３１】
前記流体チャンバと熱的に連通するヒータを更に含む、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１３２】
前記ヒータは誘導ヒータを含む、請求項１３１に記載のシステム。
【請求項１３３】
前記フィーダシステムは、前記金属ワイヤを可変速度で前記入口領域に指向するように作動可能であり、前記可変速度は、少なくとも部分的に前記排出領域からの液体金属の放出速度に基づく、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１３４】
前記入口領域に向けて指向されたセンサを更に含み、前記センサは、前記入口領域の各側で所定の軸方向距離に沿って、前記金属ワイヤと前記液体金属との間のインタフェースを検出するように構成され、前記センサは、前記フィーダシステムと電気通信して、前記センサから受信した信号に基づいて、前記金属ワイヤの入口領域への移動速度を変更する、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１３５】
前記センサは、前記入口領域の各側で所定の軸方向距離に沿って前記金属ワイヤと前記液体金属との間の不連続性を検出するように構成される、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３６】
前記入口領域の各側の所定の軸方向距離は、前記入口領域の最大寸法の１／２にほぼ等しい、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記センサは、１つ以上のマシンビジョンおよび光ブレークビームセンサを含む、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３８】
前記入口領域に対して移動可能なワイパを更に含むことで、前記入口領域に隣接する、または前記入口領域内のデブリを除去する、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記入口領域に対して加圧ガスを分散させるように作動可能な加圧ガス源を更に含むことで、前記入口領域に隣接する、または前記入口領域内のデブリを除去する、請求項１２９に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記加圧ガス源は、前記排出領域に向かう方向に加圧ガスを、前記入口領域を介して指向するように配置される、請求項１３９に記載のシステム。
【請求項１４１】
製造方法であって、
入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバに向けて金属ワイヤを指向するステップと、
前記金属ワイヤと前記液体金属との間のインタフェースが前記入口領域に隣接している、前記金属ワイヤの一部を液体金属に溶融するステップと、
少なくとも部分的に電極によって画定される燃焼チャンバであって、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の前記燃焼チャンバに、前記液体チャンバからの前記液体金属を供給するステップと、
前記燃焼チャンバ内の液体金属に電磁流体力学的力を印加するステップであって、前記金属ワイヤは、電磁流体力学的力によって前記液体金属が前記排出領域から放出される際に、インタフェースにおける前記金属ワイヤと前記液体金属との間の連続的な接触を維持するのに十分な速度で前記流体チャンバ内に指向されるステップと、
を含む、方法。
【請求項１４２】
前記インタフェースは、前記ハウジングの外側にある、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４３】
前記インタフェースは、前記入口領域の各側で所定の軸方向距離内にある、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４４】
所定の軸方向距離は、前記入口領域の最大軸方向寸法の約１／２である、請求項１４３に記載の方法。
【請求項１４５】
前記入口領域内および前記入口領域に隣接するデブリを機械的に除去するステップを更に含む、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４６】
機械的にデブリを除去するステップは、ワイパを前記入口領域に対して移動させるステップを含む、請求項１４５に記載の方法。
【請求項１４７】
前記入口領域内および前記入口領域に隣接するデブリを空気圧により除去するステップを更に含む、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４８】
空気圧によりデブリを除去するステップに、加圧ガスを、前記入口領域を通じて前記排出領域に向かう方向に指向するステップを含む、請求項１４７に記載の方法。
【請求項１４９】
前記入口領域内および前記入口領域に隣接するデブリを電気的に除去するステップを更に含み、デブリを電気的に除去するステップは、磁場に対する方向への前記電極間に電流パルスを指向し、前記液体金属中に、前記燃焼チャンバから前記入口領域に向かう方向に電磁流体力学的力を生成するステップを含む、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１５０】
製造方法であって、
電極によって少なくとも部分的に画定される燃焼チャンバであって、前記電極を支持するハウジングによって画定される排出領域と流体連通している前記燃焼チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記燃焼チャンバ内の液体金属内に磁場を指向するステップと、
前記電極からの電流を前記燃焼チャンバの液体金属中に、前記燃焼チャンバの磁場と交差する方向に供給することにより、前記液体金属を前記排出領域から放出して、物体を形成するステップと、
を含み、各電極と液体金属との間のそれぞれのインタフェースにおいて、前記電極および前記液体金属は同じ材料から形成される、方法。
【請求項１５１】
前記排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップを更に含み、前記排出領域は、前記燃焼チャンバと流体連通し、前記電極から前記燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、制御された三次元パターンに沿った前記排出領域の位置付けに基づく、請求項１５０に記載の方法。
【請求項１５２】
各電極および液体金属のそれぞれのインタフェースから離れて、各電極を冷却し、この冷却により各電極のそれぞれの温度勾配を形成するステップを更に含む、請求項１５０に記載の方法。
【請求項１５３】
各電極の温度勾配は、前記電極と前記液体金属との間のそれぞれのインタフェースを前記ハウジングによって画定されるそれぞれの凹部内に維持することができ、前記液体金属が前記排出領域から放出されるとき、前記各インタフェースは前記各凹部に留まる、請求項１５２に記載の方法。
【請求項１５４】
各凹部は、前記排出領域に向けて前記液体金属の移動方向に対して半径方向に延在する、請求項１５３に記載の方法。
【請求項１５５】
各電極の冷却は、前記液体金属とのそれぞれのインタフェースから離れる各電極の部分に沿った各電極の強制対流冷却を含む、請求項１５３に記載の方法。
【請求項１５６】
各電極の強制対流冷却は、前記排出領域から放出される液体金属の速度に少なくとも部分的に基づいて冷却流体の速度を調整するステップを含む、請求項１５５に記載の方法。
【請求項１５７】
前記燃焼チャンバ内に前記液体金属を供給するステップは、前記液体金属を、前記ハウジングによって規定される前記入口領域から前記燃焼チャンバに指向するステップを含み、前記液体金属の入口領域から前記燃焼チャンバへの移動方向は、前記燃焼チャンバ内の磁場および電流と交差する、請求項１５０に記載の方法。
【請求項１５８】
前記燃焼チャンバの軸方向長さは、前記入口領域から前記排出領域までの軸方向長さの半分より長い、請求項１５７に記載の方法。
【請求項１５９】
前記入口領域から前記排出領域までの軸方向長さは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満である、請求項１５７に記載の方法。
【請求項１６０】
液体金属を噴射するためのシステムであって、
電流が電極間の燃焼チャンバ内の液体金属に導通可能である、前記燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極と、
前記燃焼チャンバを通じて延在し、前記燃焼チャンバの電流と交差する磁石の磁場を伴う、電極に対して配置された１つ以上の磁石と、
入口領域、排出領域、および凹部を有する流体チャンバの少なくとも一部分を画定するハウジングと、
を含み、前記燃料チャンバが前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内に配置されるように、前記電極は前記凹部に配置され、前記燃焼チャンバの最大半径方向寸法は、前記燃焼チャンバに隣接する流体チャンバの部分の最大半径方向寸法よりも大きい、システム。
【請求項１６１】
前記流体チャンバ内に移動可能な金属供給源を含むことができ、前記金属供給源および前記電極は、同じ材料から形成される、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６２】
前記流体チャンバ内または前記流体チャンバに隣接する前記金属供給源と熱的に連通する熱源を含むことで、前記燃焼チャンバ内に移動可能な液体金属を形成する、請求項１６１に記載のシステム。
【請求項１６３】
前記ハウジングは、前記電極の材料よりも高い溶融温度を有する、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６４】
各電極の少なくとも一部は、前記燃焼チャンバから離れる方向に前記ハウジングの外側に延在する、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６５】
前記燃焼チャンバから離れた各電極の少なくとも一部に結合されたヒートシンクを更に含む、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６６】
前記ヒートシンクは、各電極の少なくとも一部から離れるように移動可能な流体を含むことで、各電極の少なくとも一部を冷却する、請求項１６５に記載のシステム。
【請求項１６７】
前記燃焼チャンバは、前記流体チャンバの軸方向長さの５０％よりも長い軸方向長さを有する、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６８】
前記流体チャンバの軸方向長さは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満である、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６９】
ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバであって、入口領域および排出領域を有する前記流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、
前記ハウジングに磁場を指向するステップと、
静止状態にある前記ハウジングの液体金属内に、液体金属の磁場と交差して、液体金属に、静止状態にある液体金属を排出領域から入口領域に向けた方向に引き込むのに十分な引き戻し力を印加する第１電流を供給するステップと、
液体金属の磁場と交差して液体金属に燃焼力を印加して、排出領域から液体金属を放出する第２電流を液体金属内に選択的に供給するステップと、
を含む、方法。
【請求項１７０】
前記引き戻し力は、前記排出領域に取り付けられた静止状態の液体金属のメニスカスを維持するのに十分である、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１７１】
前記排出領域は、排出オリフィスに隣接するスロートを有することができ、前記引き戻し力は、前記メニスカスを前記スロート内に、または前記排出オリフィスに取り付けられた状態を維持するのに十分である、請求項１７０に記載の方法。
【請求項１７２】
制御パターンに沿って前記排出領域を移動させるステップを更に含む、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１７３】
前記制御されたパターンは、制御された三次元パターンである、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７４】
前記第２電流は、制御パターン全体よりも小さい液体電流に選択的に供給される、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７５】
前記第２電流は、制御パターンに沿った少なくとも排出領域の位置に基づいて可変である、請求項１７２に記載の方法。
【請求項１７６】
前記第２電流は、前記排出領域から前記液体金属の液滴を放出するパルス電流を含む、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１７７】
前記第２電流を液体金属に選択的に供給するステップは、前記流体チャンバ内の液体金属に燃焼パルスを指向するステップと、前記流体チャンバ内の液体金属に引き戻しパルスを導通するステップであって、前記燃焼パルスおよび前記引き戻しパルスは、反対の極性を有しており、前記引き戻しパルスは前記第１電流と同じ極性を有するステップと、を含む、請求項１７６に記載の方法。
【請求項１７８】
前記引き戻しパルスは、それぞれの液滴の放出のために前記燃焼パルスに先行する、請求項１７７に記載の方法。
【請求項１７９】
前記引き戻しパルスは、それぞれの液滴の噴射のために前記燃焼パルスに続く、請求項１７７に記載の方法。
【請求項１８０】
前記第２電流は、パルス電流と直流との間で可変である、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１８１】
前記第２電流を液体金属に選択的に供給するステップは、入口領域と放電領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを画定する電極間の液体金属に第２電流を指向するステップを含む、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１８２】
前記第１電流を液体金属に供給するステップは、前記電極間の液体金属に前記第１電流を指向するステップを含む、請求項１８１に記載の方法。
【請求項１８３】
ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、前記ハウジングは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定し、前記磁石は前記流体チャンバを貫通する磁石の磁場を伴って前記ハウジングに対して配置され、前記電極は、前記入口領域と前記排出領域との間の前記流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、前記電極は、前記電極からの電流が前記燃焼チャンバ内の磁場と交差するように磁石に対して配置されるノズルと、
前記電極と電気通信している電源と、
前記電源と電気通信しているコントローラと、
を含み、前記コントローラは、
静止状態にある前記ハウジング内の液体金属に、液体金属内の磁場と交差して液体金属に、静止状態にある液体金属を前記排出領域から前記入口領域に向けた方向に引き込むのに十分な引き戻し力を印加する第１電流を供給し、
前記電極から前記燃焼チャンバ内の液体金属に、液体金属内の磁場と交差して、液体金属に燃焼力を印加して、排出オリフィスから液体金属を放出する第２電流を選択的に供給するように構成される、製造システム。
【請求項１８４】
前記ノズルに機械的に結合され、前記ノズルの排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムを更に含むことができ、前記コントローラは、更に、制御パターンに沿って前記排出領域を位置決めするように、前記ロボットシステムを移動させるように構成される、請求項１８３に記載のシステム。
【請求項１８５】
前記第２電流は、制御パターン全体よりも小さい液体電流に選択的に供給される、請求項１８４に記載のシステム。
【請求項１８６】
前記第２電流は、少なくとも制御パターンに沿った排出オリフィスの位置に基づいて可変である、請求項１８４に記載のシステム。
【請求項１８７】
前記制御パターンは、三次元パターンである、請求項１８４に記載のシステム。
【請求項１８８】
前記第２電流を選択的に供給するステップは、第２電流をパルス電流と直流との間で制御するステップを含む、請求項１８３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１６年３月３日に出願された米国仮特許出願第６２／３０３３４１号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書に記載の装置、システムおよび方法は、製造に関し、より具体的には、金属材料で製造するための磁気流体力学（ＭＨＤ）システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
液体金属にＭＨＤ力を付与するために電流を磁場と組み合わせることができる。そのような力は液体金属を推進して、金属物体を形成することができる。ＭＨＤ力は金属物体を形成するのに使用することができるが、速度、精度、制御、および材料特性に関する考慮事項として、大規模な物体形成のためのＭＨＤ力の使用に関する課題が挙げられる。従って、ＭＨＤ力を用いた金属製造のための商業的に実行可能な技術が依然として必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
装置、システム、および方法は、液体金属に磁気流体力学的な力を印加して、物体の付加的な製造の一部として制御された三次元パターンのような制御パターンに沿って液体金属を放出することを対象とする。磁気流体力学的な力をパルス化して、液体金属の液滴を噴出させ、製造される物体の精度を制御することができる。パルセーションは、商業的に実行可能な三次元製造に適した速度で液体金属射出に適した高周波を含む、広範囲の周波数にわたって液滴射出を効果的に制御することができるように、高い共振周波数を有する流体チャンバに適用することができる。一態様では、液体金属を噴射するためのノズルは、入口領域と排出領域とを有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、ハウジングを貫通する磁石の磁場を伴う、ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極とを含み、電流は、少なくとも排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接する点において、電極から燃焼チャンバに導通可能であり、また、電流は、排出オリフィスにほぼ隣接する点において、燃焼チャンバ内の磁場と交差して液体金属を排出オリフィスから放出される。
【０００５】
燃焼チャンバと排出オリフィスとの間の流体チャンバの容積は、流体チャンバの総容積の約１０％未満であってもよい。燃焼チャンバの容積は、流体チャンバの総容積の約５０％超であってもよい。流体チャンバは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満の軸方向長さを有することができる。少なくとも１つの電極および流体チャンバの少なくとも１つを画定するハウジングの一部が、同一の材料から形成されるように、電極の少なくとも１つは、流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの一部と一体形成することができる。少なくとも１つの電極および排出領域を画定するハウジングの一部が、同一の材料から形成されるように、電極の少なくとも１つは、流体チャンバの少なくとも排出領域を画定するハウジングの一部と一体形成することができる。ハウジングは、導電性材料のロッドであってもよく、電流は、ロッドの軸方向寸法に平行な軸に沿った電極間で伝導可能であってもよい。燃焼チャンバは、液体金属の入口領域から排出領域に向かう移動方向に垂直な平面内にほぼ長方形の断面を含み、電極からの電流は、ほぼ長方形の断面に沿って液体金属に導通可能である。
【０００６】
ノズルは、流体チャンバに沿って配置され、排出領域から離間されたフィルタを含むことができる。電極の少なくとも１つは、タンタル、ニオブ、またはそれらの組み合わせで形成されてもよい。
【０００７】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造システムは、１つ以上の磁石および電極を含むノズルを含み、このノズルは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定し、１つ以上の磁石は、ハウジングを通じて磁場を指向し、電極は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、電流が、排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接する点において、燃焼チャンバの磁場と交差するように、電流は電極から導通し、ノズルに機械的に結合されたロボットシステムと、電極と電気通信している電源と、ロボットシステムおよび電源と電気通信しているコントローラと、を含み、このコントローラは、ロボットシステムを作動させて、ノズルの排出領域を制御された三次元パターンに位置付けるように構成され、制御された三次元パターンに沿った排出領域の位置付けに基づいて、電源を作動させて、電極にパルス電流を供給して排出領域から液体金属を噴射して三次元物体を形成する。
【０００８】
パルス電流の周波数は、排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満であってもよい。パルス電流は、ノズルの移動速度に基づく周波数を有することができる。パルス電流は、三次元パターンの１つ以上の特徴に基づく周波数を有することができる。
【０００９】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造方法は、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバであって、入口領域および排出領域を有する流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、ノズルを通して磁場を指向するステップと、排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップと、制御された三次元パターンに沿った排出領域の位置に基づいて、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバ内で液体金属にパルス電流を導通させるステップとを含み、パルス電流は、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも低い周波数であり、パルス電流は、電流のパルセーションが排出領域から液体金属を噴出して三次元の物体を形成するように、燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向にある。
【００１０】
パルス電流は、排出領域にほぼ隣接する燃焼チャンバ内の液体金属中に導通されてもよい。流体チャンバ内の液体金属の共振周波数は、約１０ｋＨｚ超であってもよい。燃焼チャンバの容積は、流体チャンバの容積の約５０％超であってもよい。液体金属の電気抵抗率は、燃焼チャンバを画定する材料の電気抵抗率とほぼ類似していてもよい。
【００１１】
別の態様では、本明細書に開示される液体金属を噴射するためのノズルは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、ハウジング上に支持される１つ以上の磁石と、電極とを含み、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極とを備え、電流は、燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向に電極から燃焼チャンバに伝導可能であり、流体チャンバの排出領域を画定するハウジングの一部は、セラミック材料で形成される。
【００１２】
セラミック材料は、アルミナ、サファイア、ルビー、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、および炭化ホウ素のうち１つ以上を含むことができる。排出領域から離れた流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの部分は、金属から形成することができる。排出領域から離れた流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの一部は、セラミック材料で形成することができる。燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極は、金属で形成されてもよい。少なくとも１つの電極および排出オリフィスから離れた流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの部分が、同じ材料で形成されるように、電極の少なくとも１つは、排出オリフィスから離れた流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングの一部と一体形成されてもよい。燃焼チャンバは、排出領域の排出オリフィスにほぼ隣接していてもよい。燃焼チャンバは、流体チャンバの総容積の約５０％超であってもよい。
【００１３】
電極は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバの少なくとも一部に沿って配置されたライニングを含むことができる。ライニングは、流体チャンバを画定するハウジングの材料上にメッキすることができる。ライニングが配置されるハウジング材料は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、アルミナ、チタンおよび炭窒化物のうち１つ以上を含むことができる。ノズルは、燃焼チャンバと熱的に連通する少なくとも１つのヒータを含むことができる。ヒータは、燃焼チャンバの少なくとも一部の周囲に配置される誘導コイルを含むことができる。電極は第１材料から形成され、ハウジングは第２材料から形成されてもよい。第２材料は、第１材料よりも高い溶融温度を有する。電極は、タンタル、ニオブ、またはそれらの組み合わせで形成することができる。
【００１４】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造方法は、入口領域および排出領域を有する流体チャンバであって、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を供給するステップと、ハウジングに磁場を指向するステップと、排出領域を制御パターンで移動させるステップと、制御パターンに沿った排出領域の配置に基づいて、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極を通る電流を導通させるステップとを含み、燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極は、燃焼チャンバを通って移動する液体金属の抵抗率にほぼ等しい電気抵抗率を有し、排出領域を画定するハウジングの一部は、排出領域を通じて移動する液体金属の抵抗率よりも実質的に大きい電気抵抗率を有することができ、電極を通じて導通される電流は、燃焼チャンバ内の磁場と交差する方向に沿って液体金属中に伝導され、液体金属の少なくとも一部を排出領域から放出する。
【００１５】
別の態様では、本明細書で開示される液体金属を噴射するためのノズルは、入口領域および排出オリフィスに隣接するスロートを有する排出領域を含む流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴ってハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極とを備え、排出オリフィスに隣接するハウジングの外面は、電極によって画定される燃焼チャンバの少なくとも一部分において安定的に支持可能な液体金属に関して実質的にノンウェッティングであるフィルムを含む。
【００１６】
燃焼チャンバで安定的に支持可能なフィルムと液体金属との間の接触角は、約９０度超であってもよい。スロートを画定するハウジングの材料は、燃焼チャンバ内で安定的に支持可能な液体金属に対して濡れ性を有していてもよい。燃焼チャンバ内で安定的に支持可能な液体金属は、スロートを画定するハウジングの材料よりも、フィルムとの接触角がより大きくてもよい。スロートは、ほぼ円筒形であってもよく、スロートの直径は、排出オリフィスの直径とほぼ同じであってもよい。フィルムは、排出オリフィスに隣接するハウジングの部分と一体形成されてもよい。フィルムは、スロートを画定するハウジングの部分を形成する材料の酸化物を含むことができる。フィルムは、酸化タンタルおよび酸化クロムのうち１つ以上を含むことができる。このフィルムは、アルミニウム、アルミニウム合金、およびはんだのうち１つ以上に対して非濡れ性を有していてもよい。
【００１７】
電極の少なくとも１つおよびハウジングの一部が同じ材料で形成されるように、電極の少なくとも１つは、電極の少なくとも１つに隣接するハウジングの一部と一体形成されてもよい。１つ以上の磁石は、磁場が燃焼チャンバを通じて指向されるように配置することができ、電極は、電極から燃焼チャンバ内に伝導された電流が燃焼チャンバ内の磁場と交差するように配置することができる。
【００１８】
別の態様では、本明細書で意図される付加的な製造方法は、入口オリフィスおよび排出オリフィスを有し、また排出オリフィスに隣接するスロートを有しており、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、ハウジングに磁場を指向するステップと、流体チャンバ内の燃焼チャンバ内の液体金属内に電流をパルス化するステップとを含み、パルス電流は、燃焼チャンバ内の磁場と交差して、排出オリフィスから液体金属を放出し、液体金属中への電流のパルセーションの間、スロートは液体金属によって湿潤され、排出オリフィスを画定するハウジングの外面は、液体金属によって実質的に湿潤されない。
【００１９】
排出オリフィスを画定するハウジングの外面は、スロートを画定するハウジングの材料の酸化物のフィルムを含むことができる。フィルムは、酸化タンタルおよび酸化クロムのうち１つ以上を含むことができる。液体金属と、排出オリフィスを画定するハウジングの外面との間の接触角は、液体金属と、スロートを画定するハウジングの材料との間の接触角より大きくてもよい。液体金属と、排出オリフィスを画定するハウジングの外面との間の接触角は、約９０度より大きくてもよい。液体金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、およびはんだのうち１つ以上を含むことができる。パルス電流は、約１０ｋＨｚ未満の最大周波数を有することができる。
【００２０】
この方法は、構築面に対して制御された３次元パターンでハウジングを移動させて、三次元物体を形成するステップを含むことができる。
【００２１】
別の態様では、本明細書で開示される方法は、入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、入口領域と排出領域の間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの液体金属に第１電流を供給するステップとを含み、揺らぎ電流を含む第１電流は、液体金属内の磁場を交差させて、排出領域に取り付けられたメニスカス上にパルス力を印加し、排出領域に取り付けられる液体金属上のパルス力は、排出領域に取り付けられたメニスカスを跳躍させる。
【００２２】
排出領域は、排出オリフィスおよびスロートを含むことができ、メニスカスは、スロートおよび排出オリフィスのうち１つ以上に取り付けられてもよい。メニスカスに印加されるパルス力は、メニスカス上に形成される金属酸化物層を破壊するのに十分な大きさを有し、金属酸化物層は、液体金属の金属の酸化物を含む。この方法は、ハウジング内の液体金属への第１電流の供給期間に少なくとも部分的に基づいて、液体金属を排出領域を通して放出するステップを含むことができる。液体金属は、所定の時間だけ、排出オリフィスから放出することができる。この方法は、燃焼チャンバ内の液体金属に第２電流を供給するステップを含んでもよく、第２電流は、液体金属中の磁場と交差して、液体金属を排出領域を通して放出して物体を形成する。第２電流は、第１電流のパルス電流とは異なるパルス電流を含むことができる。この方法は、対象物の製造に対応する制御パターンに沿って排出領域を移動するステップを含んでもよく、液体中に第２電流を供給するステップは、制御パターンに沿った排出領域の位置に基づく。制御パターンは、三次元パターンを含むことができる。燃焼チャンバ内の液体金属内に第２電流を供給するステップは、制御されたパターンに沿って排出オリフィスの位置に少なくとも部分的に基づいて、パルス電流と直流との間で切り換えるステップを含むことができる。
【００２３】
別の態様では、本明細書で開示される製造システムは、ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、ハウジングは入口領域および排出領域を有する流体チャンバを少なくとも部分的に画定し、磁石の磁場を伴ってハウジングに関連して配置される磁石は、流体チャンバを通じて延在し、電極は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、電極からの電流が燃焼チャンバの磁場と交差するように、電極を磁石に関連して配置したノズルと、ノズルに機械的に連結されたロボットシステムであって、排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムと、ノズルの電極と電気通信する電源と、ロボットシステムおよび電源と電気通信するコントローラであって、ロボットシステムを作動させて、排出領域を物体の製造に対応する制御パターンに沿って配置し、電極を通して燃焼チャンバの液体金属内に第１電流を供給し、この第１電流は、燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差するパルス電流を含むことで、排出領域に取り付けられた液体金属のメニスカスにパルス力を生じさせ、排出領域の移動における制御パターンに沿って、電極を通して燃焼チャンバ内の液体金属に第２電流を供給し、第２電流は、液体金属中の磁場と交差して、液体金属を排出領域を通して放出して物体を形成するように構成されたコントローラと、を含む。
【００２４】
コントローラは、更に、電極を通して燃焼チャンバ内の液体金属内に第３電流を供給するように構成されてもよく、第３電流は、液体金属中の磁場と交差して、制御パターンから離れた排出オリフィスの位置にて、排出領域を通じて液体金属を放出する。コントローラは、燃焼チャンバ内の液体金属内への第１電流の供給期間に少なくとも部分的に基づいて、第３電流を供給するように構成されてもよい。コントローラは、第１電流の供給から第２電流の供給への切り替えの間に、第３電流を供給するように構成されてもよい。コントローラは、第３電流を所定期間だけ供給するように構成することができる。制御パターンは、三次元パターンを含むことができる。
【００２５】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造方法は、入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、ハウジングを通じて磁場を指向するステップと、排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップと、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを少なくとも部分的に画定する電極間に電流を供給するステップであって、電流が燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出するステップと、制御された三次元パターンに沿った排出領域の位置に基づいて、噴射された液体金属の集積物の１つ以上の所定の部分の多孔率を、構築面上または予め堆積された金属層上で制御するステップと、を含む。
【００２６】
噴射された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、蓄積中の支持構造と三次元物体との間のインタフェースを形成するステップを含むことができ、支持構造および三次元物体は、インタフェースよりも多孔率が低い。インタフェース、支持構造および三次元物体は、同じ材料で形成されてもよい。インタフェースは、三次元物体に対して脆弱性を有していてもよい。この方法は、圧縮力およびせん断力ののうち１つ以上をインタフェースに加えることによって、支持構造から三次元物体を分離するステップを含むことができる。噴射された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、排出領域から噴射される液体金属の速度を変化させるステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、燃焼チャンバ内の液体金属に供給される電流の大きさを変化させるこステップを含むことができる。燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、電流をパルス化するステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、電流のパルスの大きさおよび持続時間のうち少なくとも１つを変化させるステップを含むことができる。噴射された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、排出領域から噴射される液体金属の温度を変化させるステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップは、放出された液体金属の温度を低下させて、構築面上または以前に堆積された金属層上に放出された液体金属の蓄積の所定の部分多孔率を増加させるステップを含む。
【００２７】
別の態様では、本明細書で開示されるコンピュータプログラム製品は、１つ以上のプロセッサ上で実行するときに、制御された三次元パターンでハウジングの排出領域を移動させるステップと、電極によって少なくとも部分的に画定された燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップであって、供給された電流を燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差して、燃焼チャンバと流体連通して液体金属を放電領域から放出するステップと、制御された三次元パターンに沿った排出領域の位置に基づいて、基板上または予め堆積された金属層上に放出された液体金属の堆積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップのうちのステップを実行する、非一過性の記録媒体に組み込まれた非一時的コンピュータ実行可能コードを含む。
【００２８】
放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、電流の大きさを変化させるステップを含むことができる。燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、電流をパルス化するステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の速度を変化させるステップは、電流のパルスの大きさおよび持続時間のうち少なくとも１つを変化させるステップを含むことができる。噴射された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、排出領域から噴射される液体金属の温度を変化させるステップを含むことができる。排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップは、放出された液体金属の温度を低下させて、基板上または以前に堆積された金属層上の放出された液体金属の蓄積の所定の部分の多孔率を増加させるステップを含む。
【００２９】
別の態様では、本明細書に開示される液体金属を噴射するためのノズルは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバの少なくとも一部を画定するハウジングと、ハウジングを貫通する磁石の磁場を伴ってハウジングに対して配置された１つ以上の磁石と、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、電極間に伝導された電流は、燃焼チャンバ内の液体金属中の磁場と交差して、排出オリフィスから液体金属を放出する電極と、１つ以上の磁石のうち少なくとも１つとハウジングとの間に配置される断熱層であって、絶縁層を取り付け可能なハウジングの一部の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱層と、を含む。
【００３０】
ハウジングは、電極間に電流が導電される方向に沿った方向よりも、磁場がハウジングを貫通する方向に沿って、薄くてもよい。１つ以上の磁石は、燃焼チャンバから約２ｍｍ未満であり得る。断熱層は、約０．８ｍｍ〜約１．２ｍｍの厚さであってもよい。断熱層は、シリカセラミックおよびアルミナ−シリカセラミックのうちの１つ以上を含むことができる。断熱層は、磁石によってハウジングに印加される磁力によって固定されてもよい。断熱層は、約０．０１５Ｗ／ｍ−Ｋ超かつ約０．１Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有することができる。１つ以上の磁石は、ハウジングから離間されたヒートシンクと熱的に連通することができる。ヒートシンクは、ヒートシンクを通って移動して、１つ以上の磁石から熱を奪う冷却流体を含むことができる。ノズルは、１つ以上の磁石から熱を奪うためにヒートシンクに指向されたファンを含むことができる。１つ以上の磁石は、固定磁石および電磁石のうちの１つ以上を含むことができる。
【００３１】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造方法は、入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定された流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、断熱層を介してハウジングに連結される少なくとも１つの磁石の磁場強度の損失に関連する温度よりも高い温度に液体金属を加熱するステップと、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを画定する電極間の加熱された液体金属に電流を供給するステップと、少なくとも１つの磁石からの磁場を燃焼チャンバ内の加熱された液体金属に指向し、磁場が燃焼チャンバ内の電流と交差して排出領域から液体金属を放出するステップとを含む。
【００３２】
少なくとも１つの磁石は、燃焼チャンバから約２ｍｍ未満であってもよい。断熱層は、少なくとも１つの磁石とハウジングとの間の磁力によって固定されてもよい。この方法は、少なくとも１つの磁石を冷却するステップを含むことができる。少なくとも１つの磁石を冷却するステップは、少なくとも１つの磁石と熱的に連通するヒートシンクを介して少なくとも１つの磁石から熱を除去し、ハウジングから離間させるステップを含むことができる。少なくとも１つの磁石から熱を除去するステップは、ヒートシンクを通って冷却流体を移動させるステップを含むことができる。少なくとも１つの磁石から熱を除去するステップは、強制対流冷却のためにヒートシンク上に空気を強制的に流すステップを含むことができる。少なくとも１つの磁石は、固定磁石および電磁石のうち１つ以上を含むことができる。ハウジングは、電流の方向に沿うよりも磁場の軸線に平行な方向により薄くてもよい。
【００３３】
別の態様では、本明細書に開示される付加的な製造方法は、入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定された流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、ハウジングに磁場を指向するステップと、排出領域を制御されたパターンで移動させるステップと、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極間に電流を供給し、電流は燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出するステップと、制御されたパターンに沿った排出領域の位置に基づいて、パルス電流と直流との間の電流を制御して物体を形成するステップとを含む。
【００３４】
制御パターンは三次元パターンであってもよく、物体は三次元物体であってもよい。電流は、形成される物体の境界に沿ってパルス電流になるよう制御されてもよい。電流は、排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに直流になるように制御することができる。パルス電流の周波数は、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも小さくてもよい。パルス電流の周波数は、排出領域の移動速度に基づくことができる。パルス電流の周波数は、制御パターンの端縁からの距離に基づくことができる。パルス電流の周波数は、排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満であってもよい。パルス電流から直流に切り替えることにより、排出領域から放出される液体金属の質量流量を増加させることができる。
【００３５】
別の態様では、本明細書で開示されるコンピュータプログラム製品は、１つ以上のプロセッサ上で実行するときに、制御されたパターンでノズルの排出領域を移動させるステップと、排出領域と流体連通している燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極間に電流を供給するステップであって、電流は燃焼チャンバ内の液体金属の磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出するステップと、制御されたパターンに沿った排出領域の位置に基づいて、燃焼チャンバ内の液体金属内に供給される電流を制御するステップであって、電流をパルス電流と直流との間で制御して物体を形成するステップのうちのステップを実行する、非一過性の記録媒体に組み込まれた非一時的コンピュータ実行可能コードを含む。
【００３６】
電流は、形成される物体の境界に沿ってパルス電流になるよう制御されてもよい。電流は、排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに直流になるように制御することができる。パルス電流の周波数は、排出領域の移動速度に基づくことができる。パルス電流の周波数は、制御された三次元パターンの端縁からの距離に基づくことができる。パルス電流の周波数は、排出領域の最大移動速度で約５ｋＨｚ未満であってもよい。
【００３７】
別の態様では、本明細書で開示される付加的な製造システムは、ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、ハウジングは入口領域および排出領域を有する流体チャンバを少なくとも部分的に画定し、磁石はハウジングを貫通する磁石の磁場を伴ってハウジングに関連して配置され、電極は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、電極は、電極間に供給された電流が燃焼チャンバの磁場と交差するように、磁石に関連して配置されるノズルと、ノズルに機械的に連結されたロボットシステムであって、排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムと、ノズルの電極と電気通信する電源と、電源と電気通信するコントローラであって、ロボットシステムを作動させて、排出領域を制御パターンに配置し、電極から燃焼チャンバの液体金属内に電流を供給し、制御パターンに沿った排出領域の位置に基づいて、制御された電流が燃料チャンバ内の液体金属内に供給され、電流をパルス電流と直流との間で制御して、物体を形成するように構成されるコントローラと、を含む。
【００３８】
電流は、形成される物体の境界に沿ってパルス電流となるよう制御されてもよい。電流は、排出領域が形成される物体の境界内での往復に沿って移動するときに、直流になるように制御することができる。パルス電流の周波数は、放電領域の移動速度に基づくことができる。パルス電流の周波数は、制御パターンのエッジからの距離に基づくことができる。
【００３９】
別の態様では、本明細書に開示される製造システムは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定するハウジングを含むノズルと、ハウジングを通じて指向される磁石の磁場を伴う、ハウジングに対して配置される１つ以上の磁石と、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極であって、電極間を流れる電流が燃焼チャンバ内の磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出するように、磁石に対して配置される電極と、ノズルに結合され、排出領域を制御されたパターンに沿って配置するように移動可能なロボットシステムと、金属ワイヤと係合可能なフィーダシステムであって、液体金属が制御されたパターンに沿って排出領域から放出されて物体を形成する際に、入口領域を介して、金属ワイヤを流体チャンバ内に指向されるように作動可能なフィーダシステムと、を含む。
【００４０】
フィーダシステムは、金属ワイヤと係合可能な複数のローラを含み、複数のローラは、金属ワイヤを流体チャンバ内に供給するように回転可能である。システムは、流体チャンバと熱的に連通するヒータを含むことができる。ヒータは誘導ヒータを含むことができる。フィーダシステムは、金属ワイヤを可変速度で入口領域に指向するように作動可能であり、可変速度は、少なくとも部分的に排出領域からの液体金属の放出速度に基づくものである。システムは、入口領域に向けて指向されたセンサを含み、センサは、入口領域の各側で所定の軸方向距離に沿って、金属ワイヤと液体金属との間のインタフェースを検出するように構成され、センサは、フィーダシステムと電気通信して、センサから受信した信号に基づいて、金属ワイヤの入口領域への移動速度を変更する。センサは、入口領域の各側で所定の軸方向距離に沿って金属ワイヤと液体金属との間の不連続性を検出するように構成することができる。入口領域の各側の所定の軸方向距離は、入口領域の最大寸法の１／２にほぼ等しくてもよい。センサは、１つ以上のマシンビジョンおよび光ブレークビームセンサを含むことができる。システムは、入口領域に対して移動可能なワイパを含むことで、入口領域に隣接する、または入口領域内のデブリを除去することができる。このシステムは、入口領域に対して加圧ガスを分散させるように作動可能な加圧ガス源を含むことで、入口領域に隣接する、または入口領域内のデブリを除去することができる。加圧ガス源は、排出領域に向かう方向に加圧ガスを、入口領域を介して指向するように配置してもよい。
【００４１】
別の態様では、本明細書に開示される製造方法は、入口領域および排出領域を有し、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバに向けて金属ワイヤを指向するステップと、金属ワイヤと液体金属との間のインタフェースが入口領域に隣接している、金属ワイヤの一部を液体金属に溶融するステップと、液体金属を液体チャンバから少なくとも部分的に電極によって画定された燃焼チャンバであって、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバに供給するステップと、燃焼チャンバ内の液体金属に電磁流体力学的力を印加するステップであって、金属ワイヤは、電磁流体力学的力によって液体金属が排出領域から放出される際に、インタフェースにおける金属ワイヤと液体金属との間の連続的な接触を維持するのに十分な速度で流体チャンバ内に指向されるステップと、を含む。
【００４２】
インタフェースは、ハウジングの外側にあってもよい。インタフェースは、入口領域の各側で所定の軸方向距離内にあってもよい。所定の軸方向距離は、入口領域の最大軸方向寸法の約１／２であってもよい。この方法は、入口領域内および入口領域に隣接するデブリを機械的に除去するステップを含むことができる。機械的にデブリを除去するステップは、ワイパを入口領域に対して移動させるステップを含むことができる。この方法は、入口領域内および入口領域に隣接するデブリを空気圧により除去するステップを含むことができる。空気圧によるデブリの除去には、加圧ガスを、入口領域を通って排出領域に向かう方向に指向するステップを含むことができる。この方法は、入口領域内および入口領域に隣接するデブリを電気的に除去するステップを含むことができ、デブリを電気的に除去するステップは、磁場に対する方向に電極間に電流パルスを指向し、液体金属中に、燃焼チャンバから入口領域に向かう方向に電磁流体力学的力を生成するステップを含む。
【００４３】
別の態様では、本明細書に開示される製造方法は、電極によって少なくとも部分的に画定される燃焼チャンバであって、電極を支持するハウジングによって画定される排出領域と流体連通している燃焼チャンバ内に液体金属を供給するステップと、燃焼チャンバ内の液体金属内に磁場を指向するステップと、電極からの電流を燃焼チャンバの液体金属中に、燃焼チャンバの磁場と交差する方向に供給することにより、液体金属を排出領域から放出して、物体を形成するステップと、を含み、各電極と液体金属との間のそれぞれのインタフェースにおいて、電極および液体金属は同じ材料から形成される。
【００４４】
この方法は、排出領域を制御された三次元パターンで移動させるステップを含み、排出領域は、燃焼チャンバと流体連通し、電極から燃焼チャンバ内の液体金属に電流を供給するステップは、制御された三次元パターンに沿った排出領域の位置付けに基づく。この方法は、各電極および液体金属のそれぞれのインタフェースから離れて、各電極を冷却し、この冷却により各電極のそれぞれの温度勾配を形成するステップを含むことができる。各電極の温度勾配は、電極と液体金属との間のそれぞれのインタフェースをハウジングによって画定されるそれぞれの凹部内に維持することができ、液体金属が排出領域から放出されるとき、各インタフェースは各凹部に留まる。各凹部は、排出領域に向けて液体金属の移動方向に対して半径方向に延在することができる。各電極の冷却は、液体金属とのそれぞれのインタフェースから離れる各電極の部分に沿った各電極の強制対流冷却を含むことができる。各電極の強制対流冷却は、排出領域から放出される液体金属の速度に少なくとも部分的に基づいて冷却流体の速度を調整するステップを含むことができる。燃焼チャンバ内に液体金属を供給するステップは、液体金属を、ハウジングによって規定される入口領域から燃焼チャンバに指向するステップを含むことができ、液体金属の入口領域から燃焼チャンバへの移動方向は、燃焼チャンバ内の磁場および電流と交差する。燃焼チャンバの軸方向長さは、入口領域から排出領域までの軸方向長さの半分より大きくてもよい。入口領域から排出領域までの軸方向長さは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満である。
【００４５】
別の態様では、本明細書に開示される液体金属を噴射するためのシステムは、電流が電極間の燃焼チャンバ内の液体金属に導通可能である、燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極と、燃焼チャンバを通じて延在し、燃焼チャンバの電流と交差する磁石の磁場を伴う、電極に対して配置された１つ以上の磁石と、入口領域、排出領域、および凹部を有する流体チャンバの少なくとも一部分を画定するハウジングと、を含み、燃料チャンバが入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内に配置されるように、電極は凹部に配置され、燃焼チャンバの最大半径方向寸法は、燃焼チャンバに隣接する流体チャンバの部分の最大半径方向寸法よりも大きい。
【００４６】
システムは、流体チャンバ内に移動可能な金属供給源を含むことができ、金属供給源および電極は、同じ材料から形成される。システムは、流体チャンバ内または流体チャンバに隣接する金属供給源と熱的に連通する熱源を含むことで、燃焼チャンバ内に移動可能な液体金属を形成することができる。ハウジングは、電極および金属供給源の材料よりも高い溶融温度を有することができる。各電極の少なくとも一部分は、燃焼チャンバから離れる方向にハウジングの外側に延在することができる。システムは、燃焼チャンバから離れた各電極の少なくとも一部分に結合されたヒートシンクを含むことができる。ヒートシンクは、各電極の少なくとも一部から離れるように移動可能な流体を含むことで、各電極の少なくとも一部分を冷却することができる。燃焼チャンバは、流体チャンバの軸方向長さの５０％よりも大きな軸方向長さを有することができる。流体チャンバの軸方向長さは、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満であることができる。
【００４７】
本明細書で開示される方法は、ハウジングによって少なくとも部分的に画定される流体チャンバであって、入口領域および排出領域を有する流体チャンバ内に液体金属を提供するステップと、ハウジングに磁場を指向するステップと、静止状態にあるハウジングの液体金属内に、液体金属の磁場と交差して、液体金属に、静止状態にある液体金属を排出領域から入口領域に向けた方向に引き込むのに十分な引き戻し力を印加する第１電流を供給するステップと、液体金属の磁場と交差して液体金属に燃焼力を印加して、排出領域から液体金属を放射する第２電流を液体金属内に選択的に供給するステップと、を含む。
【００４８】
引き戻し力は、排出領域に取り付けられた静止状態の液体金属のメニスカスを維持するのに十分であり得る。排出領域は、排出オリフィスに隣接するスロートを有することができ、引き戻し力は、メニスカスをスロート内に、または排出オリフィスに取り付けられた状態を維持するのに十分であり得る。この方法は、制御されたパターンに沿って排出領域を移動させるステップを含むことができる。制御されたパターンは、制御された三次元パターンであってもよい。第２電流は、制御されたパターン全体よりも小さい液体電流に選択的に供給されてもよい。第２電流は、制御されたパターンに沿った少なくとも排出領域の位置に基づいて可変であってもよい。第２電流は、排出領域から液体金属の液滴を放出するパルス電流を含むことができる。第２電流を液体金属に選択的に供給するステップは、流体チャンバ内の液体金属に燃焼パルスを指向するステップと、流体チャンバ内の液体金属に引き戻しパルスを導通するステップであって、燃焼パルスおよび引き戻しパルスは、反対の極性を有しており、引き戻しパルスは第１電流と同じ極性を有するステップと、を含む。
【００４９】
引き戻しパルスは、それぞれの液滴の噴射のために燃焼パルスに先行することができる。引き戻しパルスは、それぞれの液滴の噴射のために燃焼パルスに続いてもよい。第２電流は、パルス電流と直流電流との間で可変であってもよい。第２電流を液体金属に選択的に供給するステップは、入口領域と放電領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを画定する電極間の液体金属に第２電流を指向するステップを含むことができる。第１電流を液体金属に供給するステップは、電極間の液体金属に第１電流を指向するステップを含むことができる。
【００５０】
別の態様では、本明細書に開示される製造システムは、ハウジング、磁石、および電極を含むノズルであって、ハウジングは、入口領域および排出領域を有する流体チャンバを画定し、磁石は流体チャンバを貫通する磁石の磁場を伴ってハウジングに対して配置され、電極は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定し、電極は、電極からの電流が燃焼チャンバ内の磁場と交差するように磁石に対して配置されるノズルと、電極と電気通信している電源と、電源と電気通信しているコントローラであって、静止状態にあるハウジング内の液体金属に、液体金属内の磁場と交差して液体金属に、静止状態にある液体金属を排出領域から入口領域に向けた方向に引き込むのに十分な引き戻し力を印加する第１電流を供給し、また、電極から燃焼チャンバ内の液体金属に、液体金属内の磁場と交差して、液体金属に燃焼力を印加して、排出オリフィスから液体金属を放出する第２電流を選択的に供給するように構成されるコントローラと、を含む。
【００５１】
システムは、ノズルに機械的に結合され、ノズルの排出領域を位置決めするように移動可能なロボットシステムを含むことができ、コントローラは、更に、制御されたパターンに沿って排出領域を位置決めするようにロボットシステムを移動させるように構成されてもよい。第２電流は、制御されたパターン全体よりも小さい液体電流に選択的に供給されてもよい。第２電流は、少なくとも制御されたパターンに沿った排出オリフィスの位置に基づいて可変であってもよい。制御されたパターンは、三次元パターンであってもよい。第２電流を選択的に供給するステップは、第２電流をパルス電流と直流との間で制御するステップを含むことができる。
【００５２】
本明細書に記載のシステムおよび方法は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、説明の目的のために、いくつかの実施例が以下の図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】製造のための金属のＭＨＤ堆積に使用するための三次元プリンタのブロック図である。
【図２Ａ】図１の三次元プリンタのフィーダシステムおよびノズルの等角図である。
【図２Ｂ】図２Ａのフィーダシステムおよびノズルの断面側面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのノズルの上面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのノズル内の液体金属中のＭＨＤ力の発生を示す概略図である。
【図３】ＭＨＤ力の印加によって液体金属を印刷する例示的な方法のフローチャートである。
【図４】パルス電流モードと直流モードとの間の電流を制御して、ＭＨＤ力による液体金属の放出速度を制御する例示的な方法のフローチャートである。
【図５】ＭＨＤ力を使用して、部品の支持構造からの部品の分離を容易にする１つ以上の多孔質特性を有する部品を形成する例示的な方法のフローチャートである。
【図６】ＭＨＤ力を使用して、流体チャンバ内の静止した液体金属のメニスカスを引き戻す例示的な方法のフローチャートである。
【図７Ａ】メニスカスに引き戻し力を印加した際のノズルの静止した液体金属のメニスカスの位置を比較する一連の概略図である。
【図７Ｂ】メニスカスに引き戻し力を印加した際のノズルの静止した液体金属のメニスカスの位置を比較する一連の概略図である。
【図８】ＭＨＤ力を使用して、ノズルの排出領域内の静止した液体金属のメニスカスを跳ね返す例示的な方法８００のフローチャートである。
【図９】流体チャンバの入口領域に沿ったフィルタを含むノズルの断面側面図である。
【図１０】流体チャンバの入口領域に沿った煙突を含むノズルの断面側面図である。
【図１１】ファン冷却された磁石を含むノズルの等角図である。
【図１２】ハウジングの少なくとも一部と一体的に形成された電極を含むノズルの断面の等角図である。
【図１３】ハウジング上にライニングとして形成された電極を含むノズルの断面側面図である。
【図１４】材料の組み合わせで形成されたハウジングおよびノズルを含むノズルの断面等角図である。
【図１５】ハウジングの外面上の非濡れ性フィルムを含むノズルの断面側面図である。
【図１６】ネック領域を含むノズルの断面等角図である。
【図１７】ネック領域に続くハウジングの断面と共に、ネック領域を含むノズルの断面等角図である。
【図１８】ノズルの部分が異なる高さを有する、ネック領域を含むノズルの断面等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
次に、添付の図面を参照して、実施形態を説明する。しかしながら、前述の内容は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載される図示された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【００５５】
本明細書に言及された全ての文書は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。単数形の項目への言及は、明示的に別段の記載がない限り、または本文から明白でない限り、複数形の項目を含み、またその逆も可であることを理解されたい。文法上の接続詞は、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、結合された節、文、単語等の任意のおよび全ての離接的および接続的な組み合わせを表現することを意図している。従って、「または」という用語は、一般に、「および／または」等を意味すると理解すべきである。
【００５６】
本明細書中の値の範囲に関する記載は、限定することを意図するものではなく、本明細書中に別段の指示がない限り、範囲内に含まれる任意のおよび全ての値を個別に指し、そのような範囲内の各別個の値は、本明細書において個々に列挙されたかのように明細書中に組み込まれる。数値を伴う場合の「約（about）」、「約（approximately）」等の用語は、意図された目的のために満足に動作するように、当業者によって認識されるような偏差を示すものと解釈されるべきである。値および／または数値の範囲は、本明細では単なる例として提供されており、記載された実施形態の範囲を限定するものではない。本明細書で提供される任意のおよび全ての例、または例示的な用語（「例えば（e.g.やsuch as）」等）の使用は、単に実施形態をよりよく示すためのものであり、実施形態の範囲を限定するものではない。明細書中のいかなる言葉も、実施形態の実施に必須であるとして任意の請求されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【００５７】
以下の説明において、「第１」、「第２」、「上部」、「底部」、「上」、「下」等の用語は便宜的な言葉であり、限定的な用語として解釈されるべきではないことを理解されよう。
【００５８】
本明細書で使用される場合、用語「液体金属」は、液体形態の金属および金属合金を含むと理解されるべきであり、付加的または代替的に、特に明記しない限り、または文脈から明白でない限り、液体形態の金属および金属合金を含む任意の流体を含む。
【００５９】
次に、図１〜図２Ｄを参照すると、三次元プリンタ１００は、ノズル１０２、フィーダシステム１０４、およびロボットシステム１０６を含むことができる。一般に、ロボットシステム１０６は、フィーダシステム１０４が固体金属１１２を金属供給源１１３からノズル１０２に移動させるときに、ノズル１０２を制御パターンに沿って構築チャンバ１１０の可動範囲１０８内を移動させることができる。以下により詳述するように、固体金属１１２をノズル１０２の中または近傍にて溶融して、液体金属を１１２´を形成することができ、ノズル１０２内の液体金属１１２´に作用する磁場と電流との組み合わせを通じて、磁気流体力学的（ＭＨＤ）力により、液体金属１１２´をノズル１０２から構築チャンバ１１０内に配置される構築面１１４に向かう方向に放出することができる。ノズル１０２が制御されたパターンに沿って移動するにつれて、液体金属１１２´を繰り返し噴射することにより、物体１１６（例えば、二次元物体または三次元物体）を形成することができる。代替的または付加的に、（例えば、ノズル１０２が静止した状態を維持するとき）物体１１６をノズル１０２の下に移動させることができる。例えば、制御されたパターンが三次元パターンである場合、液体金属１１２´は、連続的な層でノズル１０２から放出されて、付加的な製造によって物体１１６を形成することができる。従って、一般に、フィーダシステム１０４は、ノズル１０２が液体金属１１２´を射出するときに、連続的に、またはほぼ連続的に造形材料をノズル１０２に提供することができ、これにより金属部品の大量生産を含む、様々な製造用途において三次元プリンタ１００を容易に使用にすることができる。以下に更に詳細に説明するように、ＭＨＤ力をノズル１０２内で制御して、毎時約１滴の液体金属滴〜毎秒の数千滴の液体金属までの範囲の速度で、液体金属１１２´のドロップオンデマンドの供給を提供することができ、ある例では、ほぼ連続的な液体金属１１２´の流れを供給することができる。液滴流速に対するそのような広範囲の制御は、付加的または代替的に、商業的に実行可能な三次元製造に関連する精度および目標速度の達成を容易にすることができる。
【００６０】
一般に、液体金属１１２´は、様々な異なる金属のうちの任意の１つ以上であり得る。例えば、液体金属１１２´は、酸化に対していくらかの耐性を提供する金属を含むことができ、これにより、構築チャンバ１１０内の不完全に制御された環境でのノズル１０２の操作を容易にすることができる。従って、例えば、液体金属１１２´は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことができる。特に、液体金属１１２´は、当技術分野で知られている任意の１つ以上のアルミニウム鋳造合金およびその改質物を含むことができる。付加的にまたは代替的に、液体金属１１２´は、そのような合金において凝固が生じても、物体１１６上に堆積される金属の粒度が、ノズル１０２から放出される液滴のサイズによって制御される故に、通常は鋳造のためには使用されない１つ以上の合金を含むことができる。液体金属１１２´を形成することができる金属の付加的または代替的な例には、炭素鋼、工具鋼、ステンレス鋼、およびスズ合金（例えば、はんだ）のうち１つ以上が含まれる。
【００６１】
次に、図１および図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、ノズルは、ハウジング２０２、１つ以上の磁石２０４、および電極２０６を含むことができる。ハウジング２０２は、入口領域２１０、排出領域２１２、および凹部２１４を有する流体チャンバ２０８の少なくとも一部を画定することができる。１つ以上の磁石２０４は、ハウジング２０２に支持されるか、さもなければハウジング２０２を通じて指向される１つ以上の磁石２０４によって生成される磁場「Ｍ」によりハウジング２０２に対して固定位置にある。特に、液体金属１１２´が入口領域２１０から排出領域２１２に移動するとき、磁場を液体金属１１２´と交差する方向にハウジング２０２を通じて指向することができる。また、またはその代わりに、電極２０６をハウジング２０２上に支持して、入口領域２１０と排出領域２１２との間の、流体チャンバ２０８内の燃焼チャンバ２１６の少なくとも一部を画定することができる。使用時には、以下により詳細に説明するように、フィーダシステム１０４は、固体金属１１２に係合することができ、付加的または代替的に、液体金属１１２´が、１つ以上の磁石２０４および電極２０６を使用して生成されたＭＨＤ力によって、排出領域２１２から放出されるとき、固体金属１１２を流体チャンバ２０８の入口領域２１０内に指向することができる。
【００６２】
特定の実施形態では、電源１１８は、電極２０６と電気通信することができ、電極２０６間に流れる電流「Ｉ」を生成するように制御することができる。特に、電流「Ｉ」は、燃焼チャンバ２１６内の液体金属１１２´中の磁場「Ｍ」と交差することができる。この交差の結果は、磁場「Ｍ」および電流「Ｉ」の交差における液体金属１１２´上のＭＨＤ力（ローレンツ力としても公知である）であることを理解すべきである。ＭＨＤ力の方向は右手の法則に従う故に、１つ以上の磁石２０４および電極２０６を互いに対して配向して、液体金属１１２´にＭＨＤ力を予測可能な方向に、例えば液体金属１１２´を排出領域２１２に向けて移動させることができる方向に印加することができる。液体金属１１２´上のＭＨＤ力は、電流「Ｉ」が流れ、磁場「Ｍ」が存在する液体金属１１２´上に分散されて作用する故に、体積力として知られているタイプのものである。この体積力の凝集により圧力が生成されて、これにより液体金属１１２´の放出をもたらすことができる。磁場「Ｍ」および電流を互いにほぼ垂直に配向し、入口領域２１０から排出領域２１２までの液体金属１１２´の移動方向にほぼ垂直に配向することで、ＭＨＤ力を使用して液体金属１１２´を放出するための電流「Ｉ」の最も効率的な使用に繋がり得ることを理解されよう。
【００６３】
使用中に、電源１１８を制御して、電極２０６間を流れる電流「Ｉ」をパルス化することができる。パルセーションは、燃焼チャンバ２１６内の液体金属１１２´に印加されるＭＨＤ力における対応するパルセーションを生成することができる。パルセーションのインパルスが十分であれば、燃焼チャンバ２０８内の液体金属１１２´に対するＭＨＤ力のパルセーションにより、対応する液滴を排出領域２１２から放出することができる。従って、電流「Ｉ」のパルセーションの周波数を制御することによって、液体金属１１２´の液滴のドロップオンデマンドでの供給が達成される。例えば、部品の各層の外周が印刷される際、配置精度が高いことが望ましい。この周囲が直線または低曲率の曲線である領域では、運動システムは迅速に横断することができ、従ってプリントヘッドは高い周波数で燃焼される。一部のケースでは、運動システムの速度は、液滴放出可能性の最大周波数によって制限される。この最大周波数は、プリントヘッドの設計、所望の液滴のサイズおよび他の要因に依存し、１〜２０キロヘルツの間で変動し得る。しかしながら、高い曲率の周囲の領域を横断する故に、加速要求は、これらの領域がより低い速度で横断され、従ってプリントヘッドがより低い周波数で燃焼されることを指示し得る。これは、運動機構が瞬時に停止し、プリントヘッドも同様に瞬時に燃焼を停止し得る鋭い角部において特に当てはまる。
【００６４】
特定の実施形態では、パルス電流「Ｉ」は、ノズル１０２から出る液体金属１１２´の液滴の形状を制御するように駆動することができる。特に、電流「Ｉ」は、右手の法則に従って磁場「Ｍ」と相互作用する故に、燃焼チャンバ２１６にわたる電流「Ｉ」の方向（極性）の変化により、液体金属１１２´上のＭＨＤ力の方向を、入口領域２１０と排出領域２１２との間に延在する軸に沿って変化させることができる。従って、例えば、電流「Ｉ」の極性を液体金属１１２´の放出に関連する極性と逆にすることによって、電流「Ｉ」により流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´に引き戻し力を印加することができる。
【００６５】
各パルスは、放出駆動信号を生成して、ノズル１０２からの液体金属１１２´の１つ以上の液滴を推進させる前に、（排出領域２１２からの液体金属１１２´の放出方向に対向する）小さな引き戻し力を印加するプリチャージによって成形することができる。このプレチャージに応答して、液体金属１１２´を排出領域２１２に対して僅かに引き上げることができる。この方法で液体金属１１２´を排出オリフィスに向けて僅かに上方に引き上げるステップにより、液体金属のボーラスが排出オリフィスから排出されるときに、排出オリフィスからよりはっきりと分離するために液体金属１１２´のボーラスを加速させることができる経路を提供することで、移動中により頑健な（例えば、安定した）形状を有する液滴となることを含む多大な利点を提供することができる。同様に、引き込み運動は、排出領域２１２に沿った液体金属１１２´の表面張力に対して引き込むことによって、液体金属１１２´の前方表面に効果的にばね荷重を加えることができる。続いて、液体金属１１２´にＭＨＤ力を加えて、液体金属１１２´を放出する場合、表面張力は、液体金属１１２´を排出領域２１２からの放出に向けて加速するのに役立ち得る。
【００６６】
更に、またはその代わりに、各パルスは、パルスの終了に続いて小さい引き戻し力を有するように成形することができる。そのような場合、引き戻し力は、排出領域２１２から放出される液体金属１１２´の移動方向とは反対である故に、パルスの終了に続く小さな引き戻し力は、液体金属１１２´の放出される液滴から排出領域２１２に沿って、液体金属１１２´を容易にはっきりと分離させることができる。従って、いくつかの実施形態では、電源１１８によって生成される駆動信号は、液体金属１１２´をプレチャージするための引き戻し信号を有するウェーブレットと、液体金属の液滴を放出するための放出信号と、液体金属１１２´の放出された液滴を排出領域２１２に沿って液体金属１１２´から分離するための引き戻し信号とを含むことができる。付加的または代替的に、電源１１８によって生成される駆動信号は、各パルスの部分の間に１つ以上のドウェルを含むことができる。
【００６７】
電流「Ｉ」を高い周波数でパルス化することは、実行可能な三次元印刷に関連する速度目標を達成するのに有用であり得るが、液体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の共振周波数は、電流「Ｉ」をパルス化して液体金属１１２´の液滴を放出させるのに関連した上限周波数を制限することができることを理解すべきである。例えば、電流「Ｉ」のパルセーション速度（および関連するＭＨＤ力のパルセーションの速度）を、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の共振周波数に関連する速度未満の速度に維持することは、高すぎるまたは低すぎる液滴速度、高すぎるまたは低すぎる滴量、単一の液滴の代わりの複数滴の放出、サテライト液滴を不注意に生成する可能性を低減することができる。従って、一般に、電流「Ｉ」は、制御されたパターンに沿った排出領域２１２の位置および／または速度に基づいて変化する周波数でパルス化することができ、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の共振周波数未満である周波数の上限を有する、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´内に導通させることができる。以下により詳細に説明するように、ノズル２０は、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の高共振周波数を達成して、高い注入速度での液体金属の液滴供給の正確な制御を容易化することに向けた１つ以上の特徴を含むことができる。
【００６８】
流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の共振周波数が、流体チャンバ２０８の軸方向全長（例えば、入口領域２１０から排出領域２１２までの軸方向長さ）の関数であるとすると、ノズル１０２のいくつかの特徴は、電流「Ｉ」のパルセーションの間に、液体金属１１２´の過度のジュール加熱を回避するのに十分に低い状態を維持しながら、（液体チャンバ２０８内の液体金属１１２´の高周波数での放出を支持するために）短い軸方向長さ全体にＭＨＤ力の生成に向けて指向することができる。即ち、流体チャンバ２０８の軸方向の全長は、共振周波数に関する考慮によって制限される故に、流体チャンバ２０８の利用可能な軸方向長さを効率的に使用して、適切な液滴速度、サイズ、および速度に対応するＭＨＤ力を生成するのに必要とされる電流「Ｉ」を供給することが望ましい。
【００６９】
いくつかの実施形態では、高周波数の放出速度（例えば、制御パターンに沿った排出オリフィス２１８の最大移動速度にて約５ｋＨｚまでの周波数）を支持するのに十分に高い共振周波数（例えば、約２０ｋＨｚ）を生成するように、流体チャンバ２０８の軸方向の全長は、約２ｍｍ超かつ約２ｃｍ未満である。一部の例では、ノズル１０２の共振周波数を、液体金属１１２´の最大噴射周波数よりも実質的に高く（例えば、約５倍高く、１０倍高く、またはそれより高く）増加させることが望ましい場合がある。そのような場合、共振周波数を励起すると、多くの振動が発生して減衰する。これは、液体金属１１２´の粘度が低く（例えば、１〜５センチポアズの範囲内）、典型的には一定である故に有利であり得る。流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´にＭＨＤ力を生成するのに利用可能な軸方向長さを有効に利用するために、電極２０６から燃焼チャンバ２１６に伝導される電流「Ｉ」が、排出領域２１２の排出オリフィス２１８にほぼ隣接する点において、燃焼チャンバ２１６内の磁場「Ｍ」と交差するように、電極２０６を配置することができる。排出オリフィス２１８にほぼ隣接する電流「Ｉ」を導入する具体例として、燃焼チャンバ２１６と排出オリフィス２１８との間の流体チャンバ２０８の容積は、流体チャンバ２０８の総容積の約１０％未満であり得る。付加的または代替的に、電極２０６によって少なくとも部分的に画定される燃焼チャンバ２１６の軸方向長さは、入口領域２１０から排出領域２１２までの流体チャンバ２０８の軸方向長さの半分を超えることができる。いくつかの例では、入口領域２１０および排出領域２１８の長さの合計は、流体チャンバ２０８の全長の約２０％未満とすることができる。
【００７０】
電流「Ｉ」を液体金属１１２´に伝導させるための電極２０６の使用に関連する特定の課題として、液体金属１１２´と組み合わせて使用することができる適切な材料の選択が挙げられる。一般に、電極２０６が、溶融状態を維持するために高温を必要とする液体金属１１２´の存在下で長期間にわたって確実に動作できるように、電極２０６の材料を選択することが望ましい。従って、ノズル１０２の動作中に電極２０６を消費せず、形成される物体１１６の汚染の可能性を低減するように、電極２０６の材料は、電極２０６と接触している液体金属１１２´の溶融温度以上の溶融温度を有することができる。付加的または代替的に、例えば、時間の経過とともに材料の性能が低下する可能性を低減するように、電極２０６の材料は、液体金属１１２´と実質的に反応しなくてもよい（例えば、材料は液体金属１１２´に対して不活性であってもよく、または液体金属１１２´の存在下でパッシベーション層を形成してもよい）。付加的または代替的に、電極の材料は、液体金属１１２´の電気抵抗率にほぼ類似する電気抵抗率を有することで、電流「Ｉ」の正確な方向付けを、従って、排出領域２１２から放出される液体金属１１２´の正確な方向付けを容易にすることができる。従って、特定の例として、液体金属１１２´がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、電極はタンタルおよびニオブのうち１つ以上から形成することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、電極２０６は、各電極２０６と液体金属１１２´との間のそれぞれのインタフェースにおいて、液体金属１１２´と同じ材料で形成することができる。そのような実施形態は、特に、材料選択の問題が、経済的に入手可能な異なる組成の材料を使用して適合させるのが困難である溶融温度、反応性、および電気抵抗率のうちの１つ以上を有する材料に関連する場合の、材料選択の問題に対する有利な解決策を表すことができることを理解すべきである。特定の例として、液体金属１１２´と同じ材料の電極２０６を形成することにより、液体金属１１２´としての鋼の使用を容易化することができる。
【００７２】
電極２０６および液体金属１１２´が同じ材料で形成されている実施形態では、各電極２０６は、各電極２０６と液体金属１１２´との間のインタフェース２２０において溶融される。更に、インタフェース２２０は、特に、ノズル１０２の通常の動作中に起こり得る温度変動に応答して移動することができる。従って、ノズル１０２のロバスト操作を容易にするために、インタフェース２２０の位置は、流体チャンバ２０８内の所定の領域内になるよう制御することができる。例えば、燃焼チャンバ２１６の最大径方向寸法は、燃焼チャンバ２１６に隣接する流体チャンバ２０８の最大径方向寸法よりも広くてもよい（例えば、入口領域２１０、排出領域２１２、またはその両方よりも広くてもよい）。この例を続けると、各インタフェース２２０は、入口領域２１０から排出領域２１２に移動する液体金属１１２´の一般的な流路から離れたそれぞれの凹部２１４の部分に沿うように制御することができる。
【００７３】
特定の例では、各インタフェース２２０の位置を制御するステップは、各電極２０６の部分２２２をそれぞれのインタフェース２２０から遠ざけて冷却するステップを含むことができる。一般に、電極２０６の結果的な温度勾配により、液体金属１１２´が排出領域２１２から放出される際に、インタフェース２２０を液体金属１１２´の流路から離れる方向に移動させることができる。従って、インタフェース２１８の位置の制御を容易にするために、ノズル１０２は、各電極２０６の部分２２２に連結されたヒートシンク２２４を含むことができる。一例として、ヒートシンク２２４は、強制対流によって各電極２０６の部分２２２を冷却することができ、この対流は、（例えば、少なくとも部分的には、排出領域２１２からの液体金属１１２´の放出速度に基づいて）目標温度を達成するよう任意に制御することができる。より具体的な例として、ヒートシンク２２４は、各電極２０６の部分２２２から離れるように移動可能な流体（例えば、水）を含むことで、電極２０６を冷却することができる。付加的または代替的に、各電極２０６の部分２２２が燃焼チャンバ２１６から離れる方向にハウジング２０２の外側に延在する実施形態では、ヒートシンク２２４は、各電極２０６の部分２２０上に空気を移動させるように動作可能なファンを含むことができる。各電極２０６は、ヒートシンク２２４のそれぞれに熱的に結合されているように示されているが、電極２０６は代替的に単一のヒートシンクに結合されていてもよいことを理解されたい。
【００７４】
一般に、燃焼チャンバにわたる電流「Ｉ」の移動方向は、液体金属１１２´上に印加されるＭＨＤ力の方向に影響を及ぼす場合があり、従って、液滴供給の精度に影響を及ぼす可能性がある。同じ材料の電極２０６および液体金属１１２´を形成するか、あるいは電極２０６および液体金属１１２´の抵抗率を整合させることによって、電極２０６および液体金属１１２´の材料の低効率のミスマッチに起因する電流「Ｉ」の不慮の誤った指示の可能性を低減することができる。それにもかかわらず、（例えば、材料の僅かな差による）抵抗率のある程度の不一致は、使用中に存在し得る。従って、燃焼チャンバ２０８にわたる電流「Ｉ」の不慮の誤った指示の可能性を低減するために、燃焼チャンバ２０８は、入口領域２１０から排出領域２１２に向けた液体金属１１２´の移動方向に垂直な平面においてほぼ矩形の断面を有するように画定することができる。ほぼ矩形の断面は最大寸法を有しない故に、電流「Ｉ」は、好適な電流経路を形成することができる最大寸法を有する非矩形断面（例えば円形断面）と比較して、ほぼ矩形の断面に沿ってより均一に分配され得ることを理解すべきである。
【００７５】
電流「Ｉ」を液体金属１１２´に印加して、物体１１６を構築するのに必要なＭＨＤ力を生成するために、ハウジング２０２は、熱的、化学的、および電気的に、電極２０６および液体金属１１２´を支持するのに互換性を有する材料から形成することができる。より具体的には、電流「Ｉ」が、電極２０６と液体金属１１２´との間の溶融材料のインタフェース２２０を通って液体金属１１２´に指向される場合、ハウジング２０２の材料は、電極２０６および液体金属１１２´よりも高い溶融温度を有することで、インタフェース２１８を電極２０６よ液体金属１１２´との間に支持することができる。例えば、ハウジング２０２は、約５５０℃超かつ約１５００℃未満の溶融温度を有する液体金属を支持することができる材料で形成することができる。より具体的な例として、ハウジング２０２は、ある種の金属（例えば、鋼）の溶融状態に関連する高温に耐えることができるセラミック材料で形成することができる。そのようなセラミック材料の例には、アルミナ、サファイア、ルビー、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、および炭化ホウ素の１つ以上が含まれるが、これらに限定されない。付加的または代替的に、ハウジング２０２は、１つより多くの材料から形成することができ、これは、より高価な材料の特性がさほど重要ではなく、より高価でない材料により適切な性能を提供し得るハウジング２０２の部分に沿ってより高価な材料の使用を低減するのに有用であり得る。
【００７６】
ヒータ２２６は、ハウジング２０２に沿って支持することができ、付加的または代替的に、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´と熱的に連通して、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´を加熱することができる。付加的または代替的に、ヒータ２２６は、固体金属１１２が入口領域２１０を通って流体チャンバ２０８内に移動するときに、固体金属１１２を加熱することができる。ヒータ２２６は、例えば、抵抗線（例えば、スウェーデンのＨａｌｌｓｔａｈａｍｍａｒのＳａｎｄｖｉｋ  ＡＢから入手可能なフェライト系鉄−クロム−アルミニウム合金であるニクロムおよびカンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）（登録商標）のうち１つ以上）を含む抵抗加熱回路を含むことができる。例えば、ハウジング２０２がセラミック材料から形成される実施形態では、抵抗線により、ハウジング２０２の周囲を直接的に包囲することができる。付加的または代替的に、抵抗線は、ハウジング２０２の少なくとも一部に埋め込まれて、流体チャンバ２０８を加熱することができる。場合によっては、ヒータ２２６は、ハウジングに挿入された１つ以上のカートリッジヒータを含むことができる。カートリッジヒータは、典型的には管状容器に包装された抵抗加熱要素を含む。付加的または代替的に、ヒータ２２６は、ハウジング２０２の周囲に巻き付けられた誘導コイルを含む誘導加熱回路を含むことができる。他のタイプのヒータを付加的または代替的に使用することで、流体チャンバに熱を供給することができ、放射ヒータ、対流ヒータ、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。
【００７７】
液体金属１１２´の液滴の噴射に関連する加熱要件は、液体金属１１２´の組成に依存し得ることを理解されたい。特定の実施形態では、ヒータ１２２を使用せずにＭＨＤ力を液体金属１１２´に印加することができるように、金属は室温で液体の形態であってもよい。アルミニウムまたはアルミにウウ合金の場合のような一部の実施形態では、ハウジング２０２は、約６００℃（例えば、約６５０℃）よりも高い温度に加熱されて、アルミニウムまたはアルミニウム合金が流体チャンバ２０８内で液体の形態になるようにすることができる。付加的または代替的に、スチールの場合のような特定の実施形態では、ハウジング２０２は、鋼が流体チャンバ２０８内で液体の形態になるように、約１５５０℃よりも高くまで加熱することができる。
【００７８】
１つ以上の磁石２０４は、固定磁石を含むことができる。例えば、１つ以上の磁石２０４は、希土類磁石、または燃焼チャンバ２１６にわたり適切な磁場を生成することができる任意の他の磁石または磁石群を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の磁石２０４は、付加的にまたは代替的に、電磁石を含むことができる。液体金属１１２´内に存在する磁場を増加させることにより、電流パルスの大きさおよび持続時間のうち１つ以上の要件を低減することができ、従って望ましいと言える。いくつかの実施形態では、フィールドの強度を高めるために、永久磁石のハルバッハ配列を使用することができる。
【００７９】
１つ以上の磁石２０４は、１つ以上の磁石２０４によって生成される磁場「Ｍ」が、実質的に流体チャンバ２０８の全体に及ぶように寸法決めおよび配置することができる。電極２０６等の電極が、液体金属１１２´等の噴出される液体金属と同じ材料で形成されている例では、インタフェース２２０等の溶融部分の全長に沿って磁場「Ｍ」を確立して、流体の渦電流の可能性を低減させることができる。このようにして、液体金属１１２´に流体の渦電流を形成する可能性を、流体チャンバ２０８に僅かに及ぶ磁場により流体の渦電流を形成する可能性に比べて減少させることができる。
【００８０】
燃焼チャンバ２０８内の液体金属１１２´に適切なＭＨＤ力を発生させることに関連する課題として、液体金属１１２´が、１つ以上の磁石２０４の磁気特性の劣化に関連する温度よりも高い融点を有する用途における１つ以上の磁石２０４の熱管理が挙げられる（例えば、約１５０℃超の温度）。具体的には、多くの磁石の磁場強度は、磁石から遠ざかるにつれて急激に減少する。従って、燃焼チャンバ２０８内に十分に強い磁場を生成するためには、１つ以上の磁石２０４を流体チャンバ２０８に比較的近接して（例えば、流体チャンバ２０８の約２ｍｍ以内に）配置することが望ましい。しかしながらこれらの例では、ヒータ２２６により、１つ以上の磁石２０４の劣化した磁場強度に関連する温度よりも高い温度で燃焼チャンバ２０８を加熱する。このような温度は、例えば、１つ以上の磁石２０４の材料のキュリー温度に対応している。付加的または代替的に、このような温度は、１つ以上の磁石２０４の磁場強度が約１０％超減少する温度に対応し得る。
【００８１】
磁場強度の競合する考慮事項と１つ以上の磁石２０４の温度感度との均衡化を容易にするために、ノズル１０２は断熱層２２８を含むことができる。一般に、断熱層２２８は、約０．５ｍｍ超かつ約２ｍｍ未満の厚さを有する（例えば、約０．８ｍｍ超〜約１．２ｍｍ未満の間の厚さを有する）ように薄くてもよく、断熱層２２８が取り付けられるハウジング２０２の部分の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有することができる。例えば、断熱層２２８の熱伝導率は、約０．０１５Ｗ／ｍ−Ｋ超かつ約０．１Ｗ／ｍ−ｋ未満であってもよい。断熱層２２８に使用するのに適した例示的な材料は、シリカセラミック、アルミナ−シリカセラミック、およびそれらの組み合わせを含むことができる。
【００８２】
断熱層２２８は、１つ以上の磁石２０４によって形成される磁場によってハウジング２０２上に固定することができる。この方法により断熱層２２８をこのように配置することにより、断熱層２２８をハウジング２０２に固定する他の形態の必要性を低減または排除することができることを理解されよう。付加的または代替的に、断熱層２２８をこの方法により取り付けられるように改造する（例えば、穿孔する）必要がない故に、１つ以上の磁石２０４を使用して断熱層２２８を取付けることは、断熱層２２８の熱性能を保持するのに有用であり得る。
【００８３】
付加的または代替的に、ハウジング２０２は、電流が電流２０６間に伝導される方向よりも、１つ以上の磁石２０４の磁場がハウジング２０２を通じて延在する方向に沿ってより薄くてもよい。即ち、１つ以上の磁石２０４をハウジング２０２のより薄い部分に沿って配置することで、１つ以上の磁石２０４を密接に配置することによって、燃焼チャンバ２１６における強い磁場の生成を容易にする。刃ウイング２０２のより厚い部分に沿って電極２０６を配置することで、例えば、電極２０６の取り付けを容易化することができる。付加的または代替的に、電極２０６および液体金属１１２´が溶融したインタフェース（例えば、インタフェース２２０）によって分離される例では、ハウジングのより厚い部分に沿った電極の配置により、燃焼チャンバ２１６の電極間により大きな間隔を提供することで、ノズル１０の動作の間、各凹部２１４内の各インタフェース２２０の制御を容易化することができる。
【００８４】
ある例では、ノズル１０２は、１つ以上の磁石２０４と熱的に連通するヒートシンク２３０を含むことで、ハウジング２０２からの熱が１つ以上の磁石２０４の磁気特性に悪影響を与える可能性を低減することができる。例えば、ヒートシンク２３０をハウジング２０２から離間させることで、ヒートシンク２３０が流体チャンバ２０８の液体金属１１２´の温度を制御するのを妨げる可能性を低減しながら、１つ以上の磁石２０４から熱を奪うことを容易化することができる。ヒートシンク２３０は、強制対流によって１つ以上の磁石２０４から熱を奪うことができる。例えば、冷却流体（例えば、水）は、ヒートシンク２３０を通って冷却するように移動可能である。付加的または代替的に、ノズル１０２は、ヒートシンク２３０に指向された１つ以上のファンを備えて、強制空気対流により冷却することができる。そのような場合、ヒートシンク２３０は、当該技術分野で知られているタイプのフィン付きヒートシンクであってもよい。
【００８５】
高速の付加的な製造プロセスにおけるノズル１０２の使用は、フィーダシステム１０４を使用して、金属をシステム１００を通じて移動させて、流体チャンバ２０８への液体金属１１２´の連続的またはほぼ連続的な供給を容易化することができる。特に、以下により詳細に説明するように、フィーダシステム１０４は、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´を維持するのに十分な速度で固体金属１１２を入口領域２１０に向けて移動させることができる。付加的または代替的に、以下により詳述するように、フィーダシステム１０４は、入口領域２１０内またはその周囲に形成されたデブリを除去することができ、これは、そのようなデブリに関連するダウンタイムおよび／または部品の欠陥を低減するのに有用であり得る。
【００８６】
フィーダシステム１０４は、例えば、固体金属１１２と係合可能な複数のローラ２３２を含むことができる。固体金属１１２が、複数のローラ２３２によって画定される対応する溝に係合されるように、固体金属１１２は、金属ワイヤまたは他の類似の細長い形状の形態であることができる。使用時には、複数のローラ２３２は、相互に回転して固体金属１１２を流体チャンバ２０８に向けて供給することができる。特定の実施形態では、ハウジング２０２および流体チャンバ２０８を加熱するためにヒータ２２６によって生成された熱は、固体金属１１２が入口領域２１０の近傍に移動すると、固体金属１１２を溶融させることができる。
【００８７】
いくつかの実施形態では、フィーダシステム１０４は、固体金属１１２を可変速度で入口領域２１０に向けるように作動可能であってもよい。可変速度は、例えば、排出領域２１２からの液体金属１１２´の放出速度に基づくことができる。放出速度は、（例えば、排出領域２１２から放出される液体金属１１２´に指向されたセンサによって測定される、）排出領域２１２からの液体金属１１２´の実際の放出量の測定された速度とすることができる。付加的または代替的に、放出速度は、物体１１６の製造における所与の点に対する物体１１６の製造要件を満たすために必要とされる液体金属１１２´の量に基づく推定速度とすることができる。より一般には、可変速度は、追加の分量の液体金属１１２´がフィーダシステム１０４によって流体チャンバ２０８に供給される前に、流体チャンバ２０８が液体金属１１２´を使い果たす可能性を低減するのに有用であり得る。
【００８８】
一般に、固体金属１１２は、入口領域２１０の上方かつハウジング２０２の外側の位置または入口領域２１０内の位置で液体金属１１２´に溶融することができる。しかしながら、固体金属１１２を入口領域２１０内で溶融し過ぎることで、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´中の電流「Ｉ」のパルセーションを妨害する可能性があることを理解すべきである。付加的または代替的に、固体金属を入口領域２１０外で溶融し過ぎることで、
固体金属１１２と液体金属１１２´との間の不連続性をもたらし得る。このような不連続性は、流体チャンバ２０８への空気の導入をもたらし、液滴の正確かつ制御された形成を妨害し得る故に、好ましくない。このような不連続性は、構築チャンバの上部での反射のための境界条件を変更することによって噴射を変更することができる点で好ましくない。
【００８９】
これらの競合する考慮事項を考慮すると、システム１００は、特定の実施形態では、入口領域２１０に向けて指向されたセンサ１２０を含むことで、入口領域２１０の各側の所定の軸方向距離に沿った（例えば、入口領域２１０の入口オリフィスの上方および下方にあり、ハウジング２０２内への入口を画定する）固体金属１１２と液体金属１１２´との間のインタフェースを検出することができる。一例として、所定の軸方向距離は、入口領域２１０の最大寸法の１／２にほぼ等しいことができる。従って、入口領域２１０が、入口領域２１０が、入口領域２１０および排出領域２１２によって画定される軸線に垂直な平面に円形断面を有する例では、センサ１２０により、入口領域２１０の入口オリフィス上の一半径の所定の距離内、および、入口領域２１０の入口オリフィス下の一半径の所定の距離内の固体金属１１２と液体金属１１２´との間のインタフェースを検出できるように、所定の軸方向距離を入口領域２１０の半径にほぼ等しくすることができる。
【００９０】
特定の例では、センサ１２０は、フィーダシステム１０４と電気通信して、センサ１２０から受信した信号に基づいて固体金属１１２の入口領域２１０への移動速度を変化させることができる。単なる例示として、限定的ではないが、フィーダシステム１０４は、固体金属１１２と液体金属１１２´との間の境界の位置に少なくとも部分的に基づいて、ローラ２３２の回転速度を変更することができる。この例を続けると、より具体的には、ローラ２３２の回転速度を増加させて、固体金属１１２と液体金属１１２´との間のインタフェースを入口領域２１０内に更に移動させるか、または、減少させて、インタフェースを入口領域２１０外に更に移動させることができる。
【００９１】
いくつかの実施形態では、センサ１２０は、入口領域の各側で所定の軸方向距離に沿って、固体金属１１２と液体金属１１２´との間の不連続性を検出することができる。
【００９２】
センサ１２０は、材料の連続性を検出するための当技術分野において既知の様々なセンサのうち任意の１つ以上を含むことができる。例えば、センサ１２０は、入口領域２１０に指向されたマシンビジョンを含むことができる。マシンビジョンは、例えば、固体金属１１２および液体金属１１２´の連続性の中断、並びに固体金属１１２と液体金属１１２´との間の境インタフェースの位置のうち１つ以上を検出することができる。付加的または代替的に、入口領域２１０付近の液体金属１１２´にわたって指向される光破砕ビームセンサを含むことで、固体金属１１２および液体金属１１２´の連続性の中断を検出することができる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、入口領域２１０は、ほぼ漏斗形状であることで、固体金属１１２が入口領域２１０に向けて移動する際に、固体金属１１２が液体金属１１２´から分離する可能性を低減することができる。ほぼ漏斗形状であることは、例えば、フィーダシステム１０４、入口領域２１０、またはその両方の移動によって引き起こされる入口領域２１０に対する固体金属１１２の位置の僅かな変動に対応するために有用であり得る。
【００９４】
固体金属１１２が入口領域２１０の近傍で液体金属１１２´になると、デブリが入口領域２１０に沿って、または入口領域２１０付近に形成され得る。時間の経過とともに、そのようなデブリの蓄積は、液体１１２´の汚染、最終的には製造される物体１１６の汚染の可能性を増加させ得る。従って、フィーダシステム１０４は、入口領域２１０に対して移動可能なワイパ２３４を含むことで、入口領域２１０に隣接するか、または入口領域２１０内のデブリを除去することができる。ワイパ２３４は、例えば、入口領域２１０からデブリを除去するように、ハウジング２０２にわたって移動可能な実質的に剛性の部材であってもよい。特定の実施形態では、ワイパ２３４は、固体金属１１２と液体金属１１２´との間の中断中に（例えば、定期的な保守スケジュールの一部として、物体の製造中に、またはその両方）入口領域２１０に対して移動可能であり得る。典型的には、ワイピング動作の前にワイヤを引き抜くことができ、このワイピング動作は、液体金属１１２´がノズル１０２から放出されている間は実施されない。
【００９５】
特定の実施形態では、フィーダシステム１０４は、入口領域２１０に対して加圧ガスを分散させるように作動可能な加圧ガス源２３６を含むことで、入口領域２１０に隣接する、または入口領域２１０内のデブリを除去することができる。加圧ガスは、例えば、構築チャンバ１１０の環境内のガスであり得る。従って、構築チャンバ１１０の環境におけるカスが不活性ガス（例えば、窒素またはアルゴン）である場合、加圧ガスは、同じ不活性ガスとすることができる。特定の実施形態では、加圧ガス源２３６は、加圧ガスを、入口領域２１０を通って排出領域２１２に向かう方向に指向させるように配置することができる。
【００９６】
付加的または代替的に、入口領域２１０に隣接するか、または入口領域２１０内のデブリを除去するステップは、ＭＨＤ力を使用して、入口領域内および入口領域近傍のデブリを除去するステップを含むことができる。特定の例として、電気パルスＥの極性は、排出領域２１２からの液体金属１１２´の放出に関連する極性に対して反転してもよい。この方向に駆動される電気パルスＥの極性によって、流体チャンバ２０８内の液体金属１１２´に印加されるＭＨＤ力は、排出領域２１２から入口領域２１０に向かう方向である。従って、電気パルスＥを十分な大きさで駆動することによって、入口領域２１０を通じて液体金属１１´２を放出するのに十分なＭＨＤ力を生成することができる。この方向への液体金属１１２´の放出は、排出領域２１２のスロートを含む、流体チャンバ２０８内のどこにでも存在し得るデブリを入口領域２１０から離間させて、デブリを運搬することができることを理解されたい。
【００９７】
再び図１を参照すると、ロボットシステム１０６が、構築チャンバ１１０の可動範囲１０８内の制御パターンに沿って、ノズル１０２を構築プレート１１４に対して移動させるとき、フィーダシステム１０４は、固体金属１１２をノズル１０２に供給することができ、ノズル１０２は液体金属１１２´を放出することができる。本明細書で使用されるように、構築面１１４に対するノズル１０２の移動は、ノズル１０２および構築面１１４の相対移動の任意の組み合わせを含むと理解され、従って、構築面１１４が静止している間のノズル１０２の移動、ノズル１０２が静止している間の構築面１１４の移動、および構築面１１４も移動しているノズル１０２の移動を含む。
【００９８】
ロボットシステム１２８は、当技術分野で公知であり、制御された二次元パターン、制御された三次元パターン、またはそれらの組み合わせ等の制御パターンに沿って構成要素を移動させるのに適した多様な異なるロボットシステムのいずれかとすることができる。例えば、ロボットシステム１０６は、構築チャンバ１１０内の軸、ｙ軸、およびｚ軸に独立して移動するための多数の線形制御を使用するデカルトまたはｘ−ｙ−ｚロボットシステムを含むことができる。代替的または付加的に、ロボットシステム１０６はデルタロボットを含むことができ、これにより、ある実施形態では、固定されたモータまたは駆動要素の設計上の利便性を提供するだけでなく、速度および剛性に関して重要な利点を提供することができる。追加的または代替的に、二重または三重デルタロボット等の他の構成を使用することができ、複数のリンケージを使用して動作範囲を増加させることができる。より一般的には、特に真空または同様の環境内でのノズル１０２と構築面１１４との相互に対する制御された位置決めに好適な任意のロボットにより、構築チャンバ１３８内の作動、操作、移動等に適した任意の機構または機構の組み合わせを含む、ロボットシステム１０６の一部を形成することができる。
【００９９】
液体金属１１２´がノズル１０２から放出されて構築チャンバ１１０内に物体１１６を形成するとき、製造される物体１１６の温度を制御して、物体１１６上への液体金属１１２´の所望の堆積の達成を容易化することができる。例えば、物体１１６の温度は、例えば、当該技術分野で知られているように、閉ループ温度制御を使用して構築面１１４を加熱することで制御することができる。しかしながら、構築面１１４と製造される物体１１６の表面との間の熱伝達は、物体１１６が三次元の部品である場合に、連続した層が互いに重ね合わされて構築されるときに減少し得る。従って、システム１００は、構築チャンバ１１０内の環境を加熱するヒータ１２２を含むことができる。例えば、ヒータ１２２は、構築チャンバ１１０内の空気または不活性ガスを目標温度に加熱することができる。付加的または代替的に、ヒータ１２２は、加熱された空気を物体１１６の周りに循環させて、結合熱伝達によって物体１１６の目標温度を維持するためのファンを含むことができる。
【０１００】
液滴が金属に関連する高い熱伝導率を有すると仮定すると、液滴は、物体１１６が冷たい場合に、物体１１６上に着地した時に急速に凍結することができる。これは、衝突する液滴が、ボイド空間を離れることなく製造される物体１１６に合流する能力を制限する可能性があり、これにより完全に密集した部分を生成する能力を犠牲にする可能性がある。従って、一般に、構築チャンバ１１０内の物体１１６の温度は、物体１１６に合流する液滴の衝突を促進するように制御することができる。例えば、新たな液滴が到着したときに物体１１６が固体となるが、物体１１６が新たに衝突する液滴から熱をゆっくりと抽出するように、物体１１６は、固相線温度よりも僅かに低い温度に維持することができる。付加的または代替的に、新たに衝突する液滴が凍結するまでにある程度の時間を有するが、次の液滴が生じる前に新たに衝突する液滴が凍結するように、部品の温度を下げることができる。この例を続けると、このような温度制御は、２つの液滴が合体して意図したよりも大きな特徴を形成する可能性を低減し、逆に、このような温度制御は、物体１１６への解像度の提供を容易にする。このような温度制御における特定の例として、液滴が約１ｋＨｚの周波数でノズル１０２から放出される場合、物体１１６の温度を制御して、衝突後に約０．１ミリ秒〜約０．５ミリ秒の範囲の時間で凍結することができる。このようにして、各液滴は、次の液滴が到着する前に凍結され、各液滴は、物体１１６上に拡散させるのにある程度の時間を有し、従って物体１１６内の意図しない空隙の確率を低減する。更に、ハウジング２０２および放出される液体金属１１２´の温度を変化させることによって、新たに衝突した液滴を凍結するのに必要な圧力を変化させることができる。例えば、放出される液体金属１１２´の温度を上げると、一般に、液滴が凍結するのに必要な時間量が増加する。
【０１０１】
付加的または代替的に、液体金属１１２´の液滴によって、物体１１６は特定の環境において反応性を有し、構築チャンバ１１０を製造に使用される金属と適合する実質的に不活性な環境になるよう制御することができる。例えば、構築チャンバ１１０は、アルゴンまたは窒素のような不活性ガスを含むことができる。付加的または代替的に、構築チャンバ１１６は、真空ポンプ１３０または類似の装置で排気して、製造のための真空環境を提供することができる環境的に密閉されたチャンバとすることができる。
【０１０２】
一般に、三次元プリンタ１００は、三次元プリンタ１００の動作を管理することができる制御システム１２６を含むことで、三次元物体１１６を製造することができる。例えば、制御システム１２６は、ノズル１０２、フィーダシステム１０４、ロボットシステム１０６、構築面１１４、電源１１８、センサ１２０、およびヒータ１２２のうち１つ以上と電気通信することができる。従って、例えば、制御システム１２４によりロボットシステム１０６を作動させて、制御された三次元パターンに沿ってノズル１０２を移動させることができ、付加的または代替的に、ノズル１０２および構築面１３０のうちの１つ以上が制御パターンに沿って移動されるとき、制御システム１２４により、フィーダシステム１０４を作動させて、固体金属１１２を入口領域２１０に向けて移動させ、また、電源１１８を作動させて、ノズル１０２からの液体金属１１２´の放出を制御することができる。制御されたパターンは、例えば、制御システム１２４として使用されるコンピュータのローカルメモリのようなデータベース１２８、またはサーバあるいは他のリモートリソースを介してアクセス可能なリモートデータベース、または制御システム１２４にアクセス可能な任意の他のコンピュータ可読媒体に格納されたモデル１２６に基づくことができる。特定の実施形態では、制御システム１２４は、ユーザのインプットに応答してモデル１２６を検索し、三次元プリンタ１００による実行のための機械準備命令を発生させて、物体１１６を製造する。より一般には、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、制御システム１２６を使用して、本明細書に記載された様々な異なる方法のうちの任意の１つ以上に従って、三次元プリンタ１００の１つ以上の部分を制御することができる。
【０１０３】
図３は、ＭＨＤ力の印加によって液体金属を印刷する例示的な方法３００のフローチャートである。例示的な方法３００は、例えば、本明細書に記載された三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用して実行することができ、従って、図１〜図２Ｄに関連して上述した三次元プリンタ１００を使用して実行することができることを理解されたい。別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、例示的な方法３００は、本明細書に記載される他の方法のうち任意の１つ以上に加えて、またはその代わりに実施され得ることを更に理解されたい。
【０１０４】
ステップ３１０に示すように、例示的な方法は、流体チャンバ内に液体金属を提供するステップを含むことができる。流体チャンバは、本明細書に記載の様々な異なる流体チャンバのうち任意の１つ以上とすることができ、従って、本明細書に記載のハウジングのうち任意の１つ以上によって少なくとも部分的に画定されてもよく、また入口領域および排出領域を有することができる。
【０１０５】
ステップ３２０に示すように、例示的な方法は、磁場をノズルに指向するステップを含むことができる。例えば、磁石の磁場が液体金属を含むノズルの一部を通過するように、磁石を流体チャンバに十分に近接して配置することができる。
【０１０６】
ステップ３３０に示すように、例示的な方法は、制御されたパターンで流体チャンバの排出領域を移動させるステップを含むことができる。排出領域は、例えば、三次元プリンタ１００に関して上述したロボットシステム１０６のようなロボットシステムの作動によって、制御パターンに沿って移動させることができる。特定の実施形態では、制御パターンは、液体金属の層を連続して供給することで三次元物体を形成するのに使用される三次元パターンであることができる。付加的または代替的に、制御パターンは、例えば、基板または他の二次元表面上にパターンまたはトレースを形成するのに使用される二次元パターンであることができる。
【０１０７】
ステップ３４０に示すように、例示的な方法は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバ内の液体金属にパルス電流を導電するステップを含むことができる。パルス電流は、上述のように、燃焼チャンバ内の磁場と交差して、燃焼チャンバ内の液体金属にＭＨＤ力を印加することができる。特に、電流のパルセーションは磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出して物体（例えば、三次元物体）を形成することができる。一般に、パルス電流の特性は、制御パターンに沿った排出領域の位置に基づくことができる。例えば、液体金属を、構築面に高い幾何学的曲率を有する部品の面に噴射するときに、パルス周波数を低くすることができる。同様に、パルスの大きさ、持続時間、またはその両方は、制御パターンに沿った位置に基づいて液体金属の液滴のサイズを制御するように、制御パターンに沿った排出領域の位置に基づくことができる。
【０１０８】
一般に、パルス電流は、燃焼チャンバが配置される流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも低い周波数で、燃焼チャンバ内の液体金属中に導電させることができる。例えば、本明細書に記載されるノズルの特徴に基づいて、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数は、約２０ｋＨｚ超とすることができる。従って、排出領域２１２が制御されたパターンに沿って移動する際、パルス電流の周波数は、物体の製造に関連する精度および速度目標を達成するために、必要に応じて、２０ｋＨｚ未満に変更することができる。
【０１０９】
ある実施形態では、パルス電流の周波数は、制御パターンに沿った排出領域の移動速度に基づいて変化させることができる。従って、例えば、ロボットシステムにより排出領域をより遅い速度で移動させると、パルス電流はより低い周波数を有することができ、ロボットシステムにより排出領域をより速い速度で移動させると、パルス電流の周波数はより高い周波数を有することができる。付加的または代替的に、パルス電流の周波数は、制御パターンに沿った排出オリフィスの位置に基づくことができる。
【０１１０】
図４は、パルス電流モードと直流モードとの間で電流を制御して、ＭＨＤ力による液体金属の放出速度を制御する例示的な方法４００のフローチャートである。一般に、パルス電流モードは、液体金属の不連続な液滴の生成をもたらし得ることを理解すべきである。比較すると、直流モードは、液体金属の実質的に一定の流れの生成をもたらすことができる。従って、パルス電流と直流との間で切り替えるステップは、本明細書に記載された三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用する物体の製造の精度および速度の両方の制御を有利に提供することができることを理解されたい。例示的な方法４００は、本明細書に記載される様々な三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用して実施することができ、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、本明細書に記載の任意の１つ以上の他の方法に加えて、またはその代りに実施することができることを理解すべきである。
【０１１１】
ステップ４１０に示すように、例示的な方法４００は、流体チャンバ内に液体金属を提供するステップを含むことができる。流体チャンバは、本明細書に記載された流体チャンバのうち任意の１つ以上であってよく、従って、ハウジングによって画定され、また入口領域および排出領域を有することができる。
【０１１２】
ステップ４２０に示すように、例示的な方法４００は、磁場をハウジングに指向するステップを含むことができる。磁場は、本明細書に記載された磁石のうち任意の１つ以上によってハウジングを通じて指向され得る。従って、例えば、液体金属が（例えば、典型的には、１つ以上の磁石の磁気特性の著しい低下に関連する、約１５０℃以上の温度よりも高い）高温に加熱されている場合であっても、ハウジング上に支持された１つ以上の磁石によって、また流体チャンバ内の液体金属に近接させて、磁場をハウジングを通じて指向することができる。
【０１１３】
ステップ４３０に示すように、例示的な方法４００は、制御パターンで流体チャンバの排出領域を移動させるステップを含むことができる。制御パターンは、例えば、製造される物体のモデルに基づくことができる。従って、例えば、製造されるモデルが三次元物体である場合、制御パターンは、物体の三次元モデルに基づく三次元パターンであることができる。
【０１１４】
液体金属の配置精度に対する要件は、制御パターンに沿って変更することができる。例えば、ある例では、製造される物体の境界に沿って、より高い精度が要求され得る。従って、境界領域に沿った必要とされる精度の達成は、別個の液滴の放出によって達成することができる。より具体的には、液滴のサイズ、形状、速度、方向、および冷却等のパラメータのようなパラメータの制御は、対象物の表面上に金属を非常に正確に堆積させるのに有用であり得る。しかしながら、そのような精度は、一般に、対象物の製造に必要な時間を犠牲にしている。別の例として、製造される物体の境界（例えば、境界の間に画定された物体の一部）から離れた領域では、より低い程度の精度が要求され得る。これらの領域では、物体の製造に必要な時間を短縮するために、より少ない時間を要する技術を用いて、液体金属を有利に放出することができる。
【０１１５】
ステップ４４０に示すように、例示的な方法４００は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバの少なくとも一部を画定する電極間に電流を供給するステップを含むことができる。電流は、燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差して、排出領域から液体金属を放出するのに十分なＭＨＤ力を生成することができる。
【０１１６】
ステップ４５０に示すように、例示的な方法４００は、パルス電流と直流との間の電流を制御して物体を形成するステップを含むことができる。一般に、パルス電流と直流との間の電流を制御するステップは、制御パターンに沿った排出領域の位置に基づくことができる。従って、例えば、電流は、形成される物体の境界に沿ってパルス電流になるよう制御し、また、形成される物体の境界内の可動域に沿って直流になるように制御することができる。このようなパルス電流と直流との間の切り替えは、例えば、製造される物体の境界に沿った液体金属の堆積の正確な制御を容易にする一方で、物体の境界から離れた物体の迅速な製造を容易にする。
【０１１７】
一般に、パルス電流の周波数は、本明細書に記載のパルス電流を制御する様々な方法のうち任意の１つ以上に従って制御することができる。従って、例えば、パルス電流の周波数は、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも小さくてもよい。付加的または代替的に、パルス電流の周波数は、制御パターンに沿った排出領域の移動速度に基づくことができる。特定の実施形態では、パルス電流の周波数は、制御パターンに沿った排出領域の最大移動速度で２０ｋＨｚ未満であり得る。いくつかの実施形態では、パルス電流の周波数は、制御パターンのエッジからの排出領域２１２の距離に基づくことができる。従って、例えば、制御パターンのエッジに近づくと排出領域２１２が減速する故に、それに応じてパルス電流の周波数を減少させることができる。
【０１１８】
パルス電流から直流に切り替えることにより、排出領域からの液体金属の質量流量を増加させることができる。従って、例えば、燃焼チャンバに直流を供給することによって生成されるＭＨＤ力のもとでの液体金属の放出速度は、パルス電流の最大周波数（例えば、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数よりも低い最大周波数）のもとで達成される液体金属の最大排出速度よりも速くてもよい。従って、パルス電流から直流に切り替えることにより、電流パルスのみに比べて、より速い速度で容易に液体金属を堆積させることができる。
【０１１９】
図５は、ＭＨＤ力を使用して、部品の支持構造から部品の分離を容易にする１つ以上の多孔質特性を有する部品を形成する例示的な方法５００のフローチャートである。即ち、物体は、部品および部品の支持構造を含むことができる。例示的な方法５００を使用して、部品と部品の支持構造との間の１つ以上のインタフェースに１つ以上の多孔質特性を形成することができる。使用時には、部品は、１つ以上の多孔質特性に沿って支持構造体から優先的に分離することができる。例示的な方法５００は、本明細書に記載の様々な三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用して実施することができ、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、本明細書に記載の他の方法のうち任意の１つ以上に加えて、またはその代りに実施することができる。
【０１２０】
ステップ５１０に示すように、例示的な方法５００は、流体チャンバ内に液体金属を提供するステップを含むことができる。流体チャンバは、本明細書に記載される流体チャンバのうち任意の１つ以上とすることができ、従って、本明細書に記載のハウジングのうち任意の１つ以上を部分的に画定することができ、入口領域および排出領域を有することができる。
【０１２１】
ステップ５２０に示すように、例示的な方法５００は、磁場をハウジングに指向させるステップを含むことができる。磁場は、本明細書に記載される磁石のうち１つ以上によってハウジング内に指向され得る。
【０１２２】
ステップ５３０に示すように、例示的な方法５００は、制御された三次元パターンで流体チャンバの排出領域を移動させるステップを含むことができる。制御された三次元パターンは、例えば、部品および支持構造を有する物体に対応することができる。本明細書で使用されるように、支持構造という用語は、製造中（印刷および後処理（例えば焼結）を含む）に部品の一部を支持するために使用される物体の任意の部分を含むことができ、従って、支持構造自体は、物体が複数の部分を含み、物体への多孔性の導入が複数の部品の分離を容易にすることができるように、別の部品であってもよい。
【０１２３】
ステップ５４０に示すように、例示的な方法５００は、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを少なくとも部分的に画定する電極間に電流を供給するステップを含むことができる。電流は、燃焼チャンバ内の液体金属内の磁場と交差して、本明細書に記載される任意の１つ以上の方法に従って、排出領域から液体金属を放出させることができる。電流は、１つ以上のパルス電流または直流を使用して供給することができる。例えば、電流は、部品と支持構造または他の部品との間のインタフェースから離れた直流電流として供給されてもよく、電流は、インタフェースに沿ってパルス電流として供給することができる。
【０１２４】
ステップ５５０に示すように、例示的な方法５００は、製造される物体の１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップを含むことができる。例えば、物体を製造する際の、構築面上または以前に堆積された金属層上の放出された液体金属の蓄積の１つ以上の所定の部分の多孔率である。一般に、多孔率は、支持構造と部品との間のインタフェースを形成するように制御することができ、インタフェースの多孔率は、支持構造および部品の多孔率よりも高い多孔率を有する。例えば、支持構造、インタフェース、および部品は、インタフェースにおける多孔率の変化が物体における最も脆弱な点を画定し、従って、部品からの支持構造の優先的な分離の位置を形成するように、同じ材料で形成することができる。特定の例では、インタフェースは、例えば、支持構造および部品が、インタフェースでの圧縮力およびせん断力のうち１つ以上の適用によって互いに容易に分離できるように、壊れやすいものであってもよい。ある例では、手動力、ハンドツール（例えばペンチ）によって印加される力、またはそれらの組み合わせとして、十分な分離力を提供することができる。
【０１２５】
１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、例えば、流体チャンバの排出領域から放出される液体金属の液滴の速度を変化させるステップを含むことができる。一例として、インタフェースは、支持構造と部品のうち一方または両方の形成に関連する速度よりも遅い速度で排出オリフィスから液体金属を放出することによって形成することができる。一般に、より遅い速度で放出される液体金属は、より速い速度で放出される液体金属ほど完璧には標的材料を貫通しないであろう。このような限定された貫通は、支持構造または他の部品から部品を分離するために有用なインタフェースを形成するという状況において有利であり得る多孔率の増加をもたらし得る。
【０１２６】
一般に、流体チャンバの排出領域から放出される液体金属の液滴の速度は、各液滴を形成するのに使用されるパルスの大きさおよび持続時間の関数である。従って、多孔率を制御するステップは、インタフェースに沿ってパルスの大きさおよび持続時間の少なくとも１つを変化させるステップを含むことができる。例えば、インタフェースから離れて物体を形成するのに使用されるパルスの大きさと比較して、インタフェースは、より小さいインパルスのパルスを用いて放出された液体金属の液滴によって形成することができる。排出領域から放出される液体金属の速度は、例えば、パルスの大きさおよび持続時間のうち１つ以上を変更することによって制御することができる。
【０１２７】
付加的または代替的に、１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、排出領域から放出される液体金属の温度を変化させるステップを含むことができる。例えば、より低い温度で放出される液体金属の液滴は、より高い温度で放出される液体金属の液滴が標的表面上で凝固するよりも、より容易に標的表面上で凝固することができる。従って、より低い温度で放出される液体金属の液滴は、標的表面上での拡散がより少なくなり、従って、増加した多孔率の領域を形成することができる。従って、ある実施形態では、１つ以上の所定の部分の多孔率を制御するステップは、流体チャンバ内の液体金属の温度を低下させるステップを含むことができる。
【０１２８】
図６は、ＭＨＤ力を使用して、流体チャンバ内の静止した液体金属のメニスカスを引き戻す例示的な方法６００のフローチャートである。例示的な方法６００は、本明細書に記載の様々な三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用して実施することができ、別段の記載がない限り、文脈から明白でない限り、本明細書に記載の他の方法のうち任意の１つ以上に加えて、またはその代りに実施することができる。
【０１２９】
ステップ６１０に示すように、例示的な方法６００は、流体チャンバ内に液体金属を提供するステップを含むことができる。流体チャンバは、例えば、本明細書に記載の流体チャンバのうち任意の１つ以上であってもよく、従って、本明細書に記載のハウジングのうちの任意の１つ以上によって画定され、入口領域および排出領域を有することができる。
【０１３０】
ステップ６２０に示すように、例示的な方法６００は、磁場をハウジングに指向するステップを含むことができる。磁場は、本明細書に記載される磁石のうち任意の１つ以上によってハウジング内に指向され得る。
【０１３１】
ステップ６３０に示すように、例示的な方法６００は、静止状態のハウジング内の液体金属に第１の電流を供給するステップを含むことができる。本明細書で使用されるように、ハウジング内の液体金属の静止状態は、ハウジングの排出部分からの液体金属の放出の間の液体金属の状態を含むことができ、従って、メニスカスがハウジングの排出部分に取り付けられる（例えば、排出部分のスロート内の排出部分に取り付けられるか、または排出部分の排出オリフィスに取り付けられ、ハウジングの僅かに外側に延在する）液体金属の状態を含むことができる。
【０１３２】
第１電流は、液体金属に引き戻し力を印加するＭＨＤ力を生成する方向に、液体金属中の磁場と交差する方向に指向することができる。例えば、磁場が一定である実施形態では、第１電流は、液体金属上に放出力を生成する極性とは反対の極性を有することができる。電流と磁場との相互作用が右手の法則に従う故に、第１電流を放出力に関連する極性と反対の方向に指向するステップは、放出力とは実質的に反対のＭＨＤ力を生成し、従って、液体金属を引き戻すことができることを理解すべきである。
【０１３３】
液体金属上に印加される引き戻し力の量は、第１電流の大きさの関数である。典型的には、引き戻し力は、流体チャンバ内の静止した液体金属の圧力ヘッドを克服して、液体金属を著しく移動させることなく、メニスカスを移動させるのに十分である。従って、一般に、引き戻し力は、液体金属を放出するのに必要な力よりも著しく小さい。従って、第１の電気回路の大きさは、排出領域から液体金属を放出するために使用される電流の大きさに対して一般に小さい。例えば、第１電流は、約１アンペア超かつ約１００アンペア未満（例えば、約２アンペア〜約２０アンペア）の大きさを有することができる。
【０１３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、引き戻し力Ｐがメニスカス７０２に印加される際の、ノズル７０６の静止した液体金属７０４のメニスカス７０２の位置を比較する一連の概略図である。引き戻し力Ｐは、例えば、図６のステップ６３０で第１の電流によって生成される引き戻し力であることができることを理解されたい。
【０１３５】
図７Ａに示すように、引き戻し力がない場合、メニスカス７０２は、ノズル７０６の排出部分７０８から押し出されることができる。メニスカス７０２は、メニスカス上の静止した液体金属７０４の重量によって発生する圧力によって排出部分７０８の外に延在することができる。引き戻し力を印加しない場合、一部の液体金属７０４は、ある条件下で、ノズル７０６の外に、かつノズル７０６の底面７１０上に移動することができる。このような移動は、（例えば、意図されたよりも大きなサイズの液滴を形成することによって）その後の液体金属７０４の液滴の放出を妨げ得る。従って、静止した液体金属７０４が底面７１０上に移動する可能性を低減することにより、ノズル７０６から供給することができる液滴の精度を有効に改善することができることを理解されたい。
【０１３６】
図７Ｂに示すように、引き戻し力Ｐは、底面７１０から離れる方向にメニスカス７０２を押すことができる。従って、引き戻し力Ｐは、メニスカス７０２が底面７１０上に移動する可能性を低減することができる。実際、一部の液体金属７０４が底面７１０上に（例えば誤った液滴から）蓄積すると、引き戻し力Ｐによって確立された負圧は、液体金属７０４を底面７１０からノズル７０６の排出部分７０８内に吸い込むことができる。
【０１３７】
例えば、排出部分７０８は、スロート７１２および排出オリフィス７１２を含むことができる。引き戻し力Ｐは、静止状態の液体金属のメニスカス７０２を、ノズル７０６の排出部分７０８に取り付けた状態を維持するのに十分であることができる。ある実施形態では、引き戻し力Ｐは、メニスカス７０２を排出部分７１２のスロート７１２内に引き込むことができる。付加的または代替的に、引き戻し力Ｐは、メニスカス７０２を排出オリフィス７１２に取り付けた状態を維持することができる。
【０１３８】
再び図６を参照すると、ステップ６４０に示すように、方法６００は、第２電流を液体金属に選択的に供給するステップを含むことができる。第２電流は、液体金属中の磁場と交差して、液体金属に燃焼力を印加して、液体金属を排出領域から放出することができる。従って、例えば、ノズルの排出領域が制御されたパターン（例えば、制御された三次元パターン）に沿って移動する際、第２電流を液体金属に選択的に供給することができる。例えば、排出領域が制御されたパターンに沿って移動する際に、第２電流が周期的に遮断されるように、第２電流は、制御パターンの全体よりも小さい液体電流に選択的に供給することができる。より一般には、第２電流は、本明細書に記載された様々な異なる方法のうち任意の１つ以上に従って液体金属に指向することができる。従って、第２電流は、制御されたパターンに沿った排出オリフィスの位置に少なくとも基づいて可変であり得る。付加的または代替的に、第２電流は、パルス電流、直流、またはそれらの組み合わせを含むことができる。第２電流がパルス電流を含む例では、供給経路内の液体金属に第２電流を供給するステップは、供給経路内の液体金属に点火パルスを導通させ、（例えば、燃焼パルスの前、燃焼パルスの後、またはその両方に、）本明細書に記載された様々な異なる方法のうち任意の１つ以上に従って、供給経路内の液体金属に引き戻しパルスを導電するステップを含むことができる。
【０１３９】
第２電流は、本明細書に記載された様々な異なる方法のうち任意の１つ以上に従って、入口領域と排出領域との間の流体チャンバ内の燃焼チャンバを画定する電極間の液体金属に選択的に供給することができる。ある例では、第１電流を供給するステップは、電極間の液体金属に指向され得る。従って、より一般的には、第１電流および第２電流を、同じ経路に沿って液体金属中に供給することができる。
【０１４０】
ある実施形態では、第１電流を液体金属に連続的に印加することができ、第２電流を第１電流に重畳させることができる。第２電流の大きさは第１電流よりも大きい故、液体金属の所望の放出が生じる。第１電流が連続的に印加される故に、（例えば、図７Ｂに示すように）第２電流のパルス間にメニスカスが引き戻される。第１電流は、液体金属に連続的に印加されるものとして説明してきたが、特定の実施例では、第２電流の放出パルス中に第１電流をオフにし、第２電流の放出パルス後に直ちにオンに戻すことができる。
【０１４１】
図８は、ＭＨＤ力を使用して、ノズルの排出領域内の静止した液体金属のメニスカスを跳ね返す例示的な方法８００のフローチャートである。例示的な方法８００は、本明細書に記載される様々な三次元プリンタのうち任意の１つ以上を使用して実施することができ、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、本明細書に記載の他の方法のうち任意の１つ以上に加えて、またはその代わりに実施することができることを理解されたい。
【０１４２】
ステップ８１０に示すように、方法８００は、流体チャンバ内に液体金属を提供するステップを含むことができる。流体チャンバは、本明細書に記載の流体チャンバのうち任意の１つ以上であってもよく、従って、ハウジングによって少なくとも部分的に画定することができ、入口領域および排出領域を有することができる。
【０１４３】
ステップ８２０に示すように、方法８００は、磁場をハウジングに指向するステップを含むことができる。磁場は、例えば、本明細書に記載される磁石のうち任意の１つ以上を使用してハウジングを通って指向することができる。
【０１４４】
ステップ８３０に示すように、方法８００は、流体チャンバ内の燃焼チャンバ内および入口領域と排出領域との間の液体金属に第１電流を供給するステップを含むことができる。一般に、第１電流は、液体金属内の磁場と交差する変動電流を含むことで、排出領域に取り付けられたメニスカスにパルス的な力を印加することができる。本明細書で使用されるように、変動電流は、実質的に正弦電流、パルス電流、またはそれらの組み合わせを含むと理解すべきである。メニスカスのパルス的な力に応答して、メニスカスは跳ね返り、即ち、メニスカスを交互に偏向させ、続いて緩和させることができる。例えば、排出領域は、排出オリフィスおよびスロートを含むことができ、メニスカスは、スロートおよび排出オリフィスのうち１つ以上に取り付けることができ、この位置では、第１電気に応答してメニスカスを交互に偏向させることができる。
【０１４５】
液体金属は、微量の酸素、および場合によっては大気中に存在する水蒸気との反応によっても金属酸化物の皮膜を形成することができる。これらの金属酸化物は強靭となる傾向があり、一旦十分に分厚くなると、所望のように（例えば、放出が起こらないように）放出を妨害することができる。しかしながら、これらの酸化皮はまた、非常に脆弱である。従って、第１電流に応答するメニスカスの跳ね返り運動は、（例えば、フィルムに亀裂を設けることによって）メニスカス内の液体金属の表面を柔軟に保つことを容易にし、従って、フィルムの存在により必要に応じた液滴の放出が不可能となる可能性を低減する。
【０１４６】
第１電流は、広範囲の周波数（例えば、メニスカスが応答することができる周波数の範囲）にわたって供給され得る。特定の実施形態では、パルセーションに対する適切な制御を維持することができるように、第１電流によって生成される振動は、流体チャンバ内の液体金属の第１の共振周波数より低く維持することができる。しかしながら、メニスカス内の振動を励起するために小さな電流を使用することが望ましい実施形態では、第１電流は、流体チャンバ内の液体金属の共振周波数またはその近傍に供給可能であり得る。典型的な用途では、振動の振幅は、流体チャンバの排出オリフィスの直径の約１％超かつ約５０％未満（例えば、約５％超かつ約２５％未満）であることができる。
【０１４７】
一部の例では、方法８００は、排出領域を通して液体金属を放出して、排出領域からメニスカスを除去するステップを更に含むことができる。このような排出領域を通る液体金属の放出は、例えば、その部分から離れて実施することができる。一般に、排出領域を通る液体金属のこのような噴射は、特にメニスカスが長時間にわたり排出領域にある場合に、メニスカスをリフレッシュするのに有用であり得ることを理解されたい。特定の例では、液体金属は、所定の期間、排出領域から放出することができる。
【０１４８】
ステップ８４０に示されるように、方法８００は、燃焼において液体金属に第２電流を供給するステップを更に含むことができる。第２の液体金属は、液体金属中の磁場と交差して、排出領域を通じて液体金属を放出して、物体を形成することができる。第２電流は、第１電流のパルス電流とは異なる（例えば、はるかに大きい）パルス電流を含むことができることを理解されたい。第２電流は、液体金属を放出して物体を形成する故に、第２電流は、本明細書に記載される様々な異なる方法のうち任意の１つ以上に従った制御パターン（例えば、三次元パターン）に沿った排出領域の位置に基づいて液体金属内に供給され得ることが更に理解すべきである。従って、限定的ではなく一例として、燃焼チャンバ内の液体金属内に第２電流を供給するステップは、制御パターンに沿った排出オリフィスの位置に少なくとも部分的に基づいて、パルス電流と直流電流との間で切り換えるステップを含むことができる。
【０１４９】
第２電流が供給される少し前に、第１電流を停止させることができる。この短時間の間に、第１電流によってメニスカスに誘起された振動は、第２電流に応答して放出される第１液滴の放出前に減衰させることができる。従って、より一般的には、第２電流が供給される直前に第１電流を停止させることにより、物体の製造中に第１電流が液体金属の第１の放出またはその後の液体金属の放出を妨げる可能性を低減させることができる。付加的または代替的に、流体チャンバに関連するプリントヘッドが積極的に印刷していない期間中に（例えば、プリントヘッドが製造されている物体の側面の間を移動する間、またはプリントヘッドが新規の層が開始するのを待つ間）メニスカスに第１電流を供給することができる。
【０１５０】
特定の実装形態について説明してきたが、他の実装形態も付加的または代替的に可能である。
【０１５１】
例えば、入口領域からデブリを除去する特定の態様に関連する装置、システム、および方法が記載されているが、デブリ除去の他の装置、システムおよび方法も付加的または代替的に可能である。例えば、図９に示すように、ノズル９００は、入口領域９０６および排出領域９０８を有する流体チャンバ９０４の少なくとも一部を画定するハウジング９０２を含むことができる。ノズル９００は、流体チャンバ９０４に沿って配置されたフィルタ９１０を含むことができる。一般に、フィルタ９１０は、最後の手段のフィルタとして機能することができ、物体の製造中にデブリが排出領域９０８に到達して排出される可能性を低減する。従って、フィルタ９１０は、排出領域９０４から離間することができる。一例として、フィルタ９１０は、入口領域９０６に沿って配置することができる。一般に、フィルタ９１０は、フィルタ９０１に接触し、溶融金属の温度に耐え得る材料から形成される多孔構造を含むことができる。ある実施形態では、フィルタ９１０は、例えば、流体チャンバ９０４内を移動する音響パルスのエネルギーを吸収することによって、フィルタを有しない同じ流体チャンバと比較して、共振振動流体チャンバ９０４を有利に減少させることができる。
【０１５２】
次に、図１０を参照すると、ノズル１０００は、入口領域１００６および排出領域１００８を有する流体チャンバ１００４の少なくとも一部を画定するハウジング１００２を含むことができる。入口領域１００６に沿って、ハウジング１００２は、ハウジング１００２から流体チャンバ１００４から離れる方向に延在する煙突１０１０を含むことができる。例えば、煙突１０１０は、入口領域１００６に沿った液体金属のメニスカスが、入口領域１００６を画定するハウジングの外面を濡らす可能性を低減することができる。従って、例えば、ハウジング１００２に沿った濡れを減少させることによって、煙突１００８は、ヒータ１０１２のようなハウジング１００２に載置された構成要素への損傷の可能性を低減させることができる。
【０１５３】
別の例として、ノズルは液体により冷却された磁石を含むものとして記載されているが、他の実施形態も付加的または代替的に可能である。例えば、図１１を参照すると、ノズル１１００は、１つ以上の磁石１１０２、ヒートシンク１１０４、およびファン１１０６を含むことができる。ファン１１０６は、空気をヒートシンク１００４の上に指向して、強制空気対流を通じて１つ以上の磁石１１０２から熱を奪うように位置付けることができる。
【０１５４】
更に別の例として、ノズルは、流体チャンバを画定する金属電極を含み、セラミック製のハウジング内に保持されるものとして説明してきたが、他の実施形態も付加的または代替的に可能である。例えば、図１２を参照すると、ノズル１２００は、流体チャンバ１２０６の少なくとも一部（例えば、排出オリフィス１２０８から離れた流体チャンバの一部）を画定するハウジング１２０４の一部と一体的に形成された電極１２０２を含むことができる。流体チャンバ１２０６は、入口領域１２１０および排出領域１２１２を有することができる。電極１２０２と一体的に形成されたハウジングの部分は、金属材料であると理解すべきである。
【０１５５】
本明細書で使用する「一体」とは、固体ブロックまたは材料のロッドのような一体的な材料片から形成され、従って同じタイプの材料で形成された部品を含む。例えば、ハウジング電極１２０２およびハウジング１２０４は、電流がロッドに沿って軸線方向に指向され、磁場がロッドを通じて半径方向に指向されるように、ロッド（例えば、遍在的に利用可能な標準サイズのロッド）から一体形成することができる。一般に、流体チャンバ１２０６は、一体形成された電極１２０２およびハウジング１２０４から材料を除去する（例えば、スルーホールを穿孔する）ことによって形成することができる。電極１２０２およびハウジング１２０４を一体形成することで、例えば、流体チャンバ１２０６内の液体金属の温度を正確に制御するのに有用であり得る低熱質量を有するノズル１２００を生成するために有利である。付加的または代替的に、供給経路内の磁場の強さがＭＨＤ力を生成して排出オリフィス１２１４から液体金属を放出するのに十分となるように、電極１２０２およびハウジング１２０４を一体形成することで、１つ以上の磁石を流体チャンバ１２０６の液体金属に近接して配置するのに役立ち得る。付加的または代替的に、電極１０２０およびハウジング１２０４を一体形成することで、異なる材料間のインタフェースの数を減らすことができ、これは、特定のタイプの液体金属の排出に関連する高温では困難であり得る。
【０１５６】
電極１２０２およびハウジング１２０４の一部が一体的に形成される故に、電極１２０２によって形成される燃焼チャンバ１２１８は、排出領域１２１２にほぼ隣接しており、特に、排出オリフィス１２１４にほぼ隣接することができる。上述したように、排出領域１２１２にほぼ隣接する点において、流体チャンバ１２０６に電流を送達することにより、より短い流体チャンバ１２０６の形成を容易にし、これにより共振周波数を高めることができる。従って、電極１２０２をハウジング１２０４の一部と一体形成することにより、より高い周波数で液体金属の液滴を放出することに関して一定の利点を有することができる。一般に、ノズルのハウジングが金属で形成されている実施形態では、液体金属とハウジングとの間の抵抗率を一致させることにより、電極からの電流が流体チャンバ内の液体金属の周囲を流れる可能性を低減するために重要であり得る。従って、ノズル１２００の例では、ハウジング１２０４の金属の電気抵抗率は、有利には、流体チャンバ１２０６内の液体金属の電気抵抗率にほぼ一致することを理解するべきである。電極１２０２およびハウジング１２０４の一部が一体形成されている実施形態では、電極１２０２およびハウジング１２０４を形成する材料は、液体チャンバ１２０６から放出される液体金属の融点よりも高い融点を有することを更に理解すべきである。従って、例えば、液体金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である実施形態では、電極１２０２およびハウジング１２０４を形成する材料は、タンタルまたはニオブであることができ、これらはそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも高い融点を有し、それぞれアルミニウムおよびアルミニウム合金とほぼ同様の電気抵抗率を有し、それぞれ溶融アルミニウムとの反応性が弱い。
【０１５７】
ハウジング１２０４の少なくとも一部および電極１２０２が、金属から一体形成されている場合（ノズルにセラミックインサートを配置する場合を含む）、電流は、燃焼チャンバ１２１８を画定する金属側壁を通じて、並びに燃焼チャンバ１２１８内を流れる液体金属を通じて、電流を流すことができる。このような例では、ハウジング１２０４の金属側壁を通じて流れる電流の一部は、液体金属の放出のためのＭＨＤから生じた圧力の生成に寄与しない。従って、特定の実施形態では、燃焼チャンバ１２０６を通じて移動する磁場（例えば、本明細書に記載の装置、システム、および方法のうち任意の１つ以上に従って形成された磁場）に平行な方向に可能な限り薄くハウジング１２０４の側壁を作成して、燃焼チャンバ１２１８の外部に流れることができる電流の量を低減することが有利となり得る。
【０１５８】
液体金属と、燃焼チャンバを画定する電極１２０２およびハウジング１２０４の部分との電気抵抗率を可能な限り近づけて一致させることが更に有利であり得る。これらの電気抵抗率が理想的に整合する理想的な場合には、電流は、燃焼チャンバ１２１８の形状にかかわらず、燃焼チャンバ１２１８を通じて均一に流れる。例えば、流体チャンバ１２０６および燃焼チャンバ１２１８が（例えば、ノズル１２００の製造を容易にするのに有用であるように）円筒状である場合、電流は円筒形状の軸線に垂直な方向に流れる。しかしながら、流体チャンバ１２０６および燃焼チャンバ１２１８を画定する電極１２０２およびハウジング１２０４の材料の電気抵抗率が、液体金属の電気抵抗率よりも高い場合、電流が燃焼チャンバ１２１８を横断するとき、電流は、燃焼チャンバ１２１８の中心に向けて押し出される傾向があり、これは、エネルギーの一部を不均一な電流の不均一なポンピング作用による流体の渦として放散されることによって、液体金属の放出のためのＭＨＤの有効性を低下させ得る。このようなＭＨＤの有効性の低下の可能性を低減するために、燃焼チャンバ１２１８の断面は、円形ではなく長方形とすることができる。燃焼チャンバ１２１８を通じた電極１２０２の間の電流の経路に関係なく、少なくとも電気抵抗に差がないことを条件に、このような長方形の断面は、燃焼チャンバ１２１８を画定する液体金属と金属との間の電気抵抗率の何らかの不一致の影響を低減するのに有用であり得る。
【０１５９】
特定の例では、所与のノズル内の液体金属と適合する電極を形成する材料は高価であり得る。付加的または代替的、ノズルにおける材料の組み合わせの使用は、例えば、材料特性（例えば、電気抵抗率、熱伝導率、化学反応性等）の組み合わせを有益に使用するために有用であり得る。従って、より一般には、本開示のノズルにおいて金属を他のタイプの材料と組み合わせることは有用であり得る。
【０１６０】
ノズル１２００の例に戻ると、排出オリフィス１２１４を画定する排出領域１２１２の一部は、排出領域１２１２に沿ってハウジング１２０４によって支持されるセラミックインサート１２１６で形成することができる。セラミックインサート１２１６は、例えば、アルミナ、サファイア、ルビー、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロン、および炭化ホウ素のうち１つ以上から形成することができる。セラミックインサート１２１６は、液体金属がノズル１２００から放出される際の摩耗に耐えるのに有用であり得る。即ち、ある例では、セラミックインサート１２１６の材料は、流体チャンバ１２０６を画定する材料よりも優れた耐摩耗性を有することができ、従って、ノズル１２００の長期間にわたる使用に関して特定の利益を提供する。即ち、ハウジング１２０４および／または電極１２０２の材料は、流体チャンバ１２０６内の液体金属に対して実質的に不活性であり得る金属から形成することができるが、高速で排出オリフィスを通過する大量の液体金属が金属の不完全な不活性を拡大する可能性がある故に、排出オリフィスを画定するのに十分に不活性ではない可能性がある。従って、排出オリフィス１２１４は、セラミックインサート１２１６によって有利に画定することができる。排出オリフィス１２１４は、セラミックインサート１２１６によって画定されるように記載したが、特定の例では、セラミックインサート１２１６を省略し、排出オリフィス１２１４をハウジング１２０４の金属材料によって形成してもよい。図１３を参照すると、ノズル１３００は、流体チャンバ１３０６の少なくとも一部を画定するハウジング１３０２およびライニング１３０４を含むことができる。ハウジング１３０２は、例えば、セラミック材料で形成することができる。ハウジング１３０２を形成するために有用なセラミック材料の例には、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、アルミナ、および炭窒化チタンのうち１つ以上が含まれる。ライニング１３０４を形成する金属材料は、有利には、ノズル１３００から放出される液体金属と適合する金属であり、従って、例えば、本明細書に記載の様々な異なる電極材料のいずれかとすることができる。ハウジングと一体形成された電極と比較して、ライニング１３０４は、より少量の所与の材料を使用して形成することができることを理解されたい。ライニング１３０４を形成する材料が高価な場合には、金属材料の使用量を少なくすることが特に有利であり得る。例えば、電極１３０８をライニング１３０４に結合して、ライニング１３０４に電流を供給することができ、ある例では、ライニング１３０４を形成する材料よりも安価な材料で電極１３０８を形成することができる。
【０１６１】
ある実施形態では、電極１３０４は、ハウジング１３０２の材料上にメッキすることができる。例えば、電極１３０４は、ハウジング１３０２の全部または一部に沿って（例えば、流体チャンバ１３０６の全部または一部に沿って）メッキすることができる。付加的または代替的に、電極１３０４は、当技術分野で公知の任意の１つ以上の金属堆積技術によってハウジング１３０２に適用することができる。
【０１６２】
次に、図１４を参照すると、ノズル１４００は、電極部１４０２およびハウジング部１４０４を含むことができる。一般に、電極部１４０２およびハウジング部１４０４は、異なる材料（例えば、異なる金属）で形成することができる。具体例として、電極部１４０２は、放出すべき液体金属と接触する相対的な不活性および熱安定性の要件を満たす第１材料で形成することができる。放出される液体金属に応じて、これらの要件を満たす第１材料の選択は、比較的高価となり得る。例えば、タンタルは、液体金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合の第１材料としての使用に適している。しかしながら、タンタルは、他のタイプの金属に比べて高価である。従って、より一般には、電極部１４０２を、液体金属との接触に適した第１材料の小片として形成し、付加的または代替的に、（例えば、カートリッジヒータ１４０６のようなノズル１４００に関連する補助的な構成要素を支持するために）より大きな部品としてハウジング部１４０４を形成することが望ましい。ハウジング部１４０４の第２材料は、液体金属の温度で熱安定性を満足する材料で形成することができる。しかしながら、ハウジング部１４０４が液体金属と接触していない故に、第２材料に適した材料は、第１材料に適した材料よりも安価であり得る。タンタルで形成された電極部１４０２の第１材料の例に戻ると、ハウジング部１４０４の第２材料は、例えば、銅で形成することができる。一般に、電極部分１４０２およびハウジング部分１４０４は、当技術分野で公知の溶接およびろう付け技術を介して互いに接合することができる。
【０１６３】
次に、図１５を参照すると、ノズル１５００は、入口領域１５０６と排出領域１５０８との間に延在する流体チャンバ１５０４の少なくとも一部を画定するハウジング１５０２を含むことができる。電極１５１０は、入口領域１５０６と排出領域１５０８との間の流体チャンバ１５０４内の燃焼チャンバ１５１２の少なくとも一部を画定する。特定の例では、ノズル１５００は、ハウジング１５０２および電極１５１０が金属（例えば、一体構造の一部のような、同じ金属）で形成されるように、全金属の構造であってもよい。排出領域１５０８は、スロート１５１４および流体チャンバ１５０４と流体連通するスロート１５１４および排出オリフィス１５１６を有することができ、使用時には、液体金属が流体チャンバ１５０４から排出オリフィス１５１６を通ってスロート１５１４を介して移動する。排出オリフィス１５１６は、例えば、ハウジング１５０２の外面１５１８によって画定することができる。スロート１５１４は、例えば、ほぼ円筒形とすることができ、スロート１５１４の直径は、排出オリフィス１５１６の直径にほぼ等しい。
【０１６４】
使用時には、排出オリフィス１５１６は、流体チャンバ１５０４内に配置された液体金属で湿潤することができる。排出オリフィス１５１６におけるこのような濡れは、排出オリフィスからの液体金属の放出に対する制御を改善することができる。しかしながら、ある例では、この方法で排出オリフィス１５１６を湿濡すると、不注意に排出オリフィスを越えて（例えば、ハウジング１５０２の外面１５１８に沿って）液体金属が延在するリスクが増し、それ自体により液体金属の放出の制御を妨害する可能性がある。例えば、ハウジングの外面１５１８に沿って湿潤された液体金属は、排出オリフィス１５１６から放出される液体金属の液滴に付着し、従って、意図されるよりも大きな液滴を生成することができる。従って、ノズル１５００は、付加的または代替的に、ハウジング１５０２の外面に沿って（例えば、排出オリフィス１５１６を画定するハウジング１５０２の外面の一部に沿って）フィルム１５２０を含むことができる。フィルム１５２０は、例えば、排出領域１５１６内の所望の表面への液体金属の濡れを制限するために有用であり得る。
【０１６５】
フィルム１５２０は、電極１５１０によって少なくとも部分的に画定される燃焼チャンバ１５１２に沿って安定的に支持可能な液体金属に対して、実質的にノンウェッティングであることができる（例えば、約９０度超の濡れ角を有する）。本明細書で使用されるように、燃焼チャンバ１５１２内で安定的に支持可能な液体金属は、燃焼チャンバ１５１２への電流の供給を著しく低下させる程度まで電極１５１０を変えることなく、燃焼チャンバ１５１２に沿って支持可能な液体金属を含むと理解すべきである。非限定的な例として、アルミニウム、アルミニウム合金、またははんだの溶融形態が、排出オリフィス１５１６を通じた放出のために流体チャンバ１５０４内で支持される場合、フィルム１５２０は、アルミニウム、アルミニウム合金、またははんだの溶融形態に関連して実質的にノンウェッティングであることができ、電極１５１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、またははんだの溶融温度よりも高い溶融温度を有することができ、アルミニウム、アルミニウム合金またははんだに対して実質的に化学的に不活性な状態を維持する。従って、より一般には、フィルム１５２０の材料の選択は、少なくとも各材料が、液体金属の放出に関連するノズル１４００の適切な動作のために（例えば、ハウジング１５０２の外面１５１８を著しく濡らすことなく、排出オリフィス１５１６を通じて液体金属を放出するために燃焼チャンバ内にＭＨＤ力を付与するために）液体材料の存在下で、特定の特性を有さなければならない故に、電極１５１０の材料の選択に関連し得る。
【０１６６】
ある実施形態では、スロート１５１４は、燃焼チャンバ内で安定的に支持可能な液体金属に対して濡れ性を有することができる。従って、燃焼チャンバ１５０４内で安定的に支持可能な液体金属は、スロート１５１４を画定するハウジング１５０２の材料よりも、膜１５２０との接触角がより大きくてもよい。一例として、フィルムは、少なくともスロートを画定するハウジング１５０２の部分を形成する材料の成分の酸化物を含むことができる。従って、例えば、ハウジングがタンタルで形成されている場合、フィルムは酸化タンタルを含むことができる。別の例として、ハウジングが鋼で形成されている場合、フィルムは酸化クロムまたは鋼の他の成分の酸化物を含むことができる。
【０１６７】
従って、使用時に、液体金属は、フィルム１５２０が非濡れ状態を維持している間に（例えば、電流が本明細書に記載された方法のうち任意の１つ以上に従って、燃焼チャンバ１５０４を通じてパルス化されるときに）スロート１５１４を湿潤させることができる。スロート１５１４を湿潤させることは、例えば、液体金属の液滴を高速で正確に噴射するのに有用であり得る。例えば、スロート１５１４を湿潤させることにより、液体金属が、液状金属の液滴の放出中にスロート１５１４を通過す際に、液滴の形成を妨害し得る環境ガス（例えば、空気、窒素、アルゴン等）がスロート１５１４内に存在する可能性を低減することができる。従って、一般に、スロート１５１４を湿潤させることにより、より高い周波数での電流のパルス化を容易にすることができ、これにより、液体金属がスロート内で湿潤されていないノズルと比較して、ノズル１４００からのより速い速度での液滴の放出を容易にする。
【０１６８】
フィルム１５２０は、様々な異なる方法のうちいずれかによってハウジング１５０２の外面に支持することができる。ある例では、フィルムは、ハウジング１５０２の外面に適用される別個の材料とすることができる。付加的または代替的に、フィルム１５２０は、ハウジング１５０２の外面１５１８と一体形成することができる。フィルム１５２０およびハウジング１５０２のこのような一体形成は、動作中のフィルム１５２０とハウジング１５０２との間の分離の可能性を低減するのに有用であり得る。付加的または代替的に、膜１５２０は、ハウジング１５０２の外面１５１８の材料を酸化することによって（例えば、タンタルまたは鋼を酸化させることによって）ハウジング１５０２の外面１５１８上に成長させることができる。付加的または代替的に、膜１５２０は、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、および当技術分野で公知の他の方法によって、ハウジング１５０２の外面１５１８上に堆積させることができる。
【０１６９】
別の例として、温度勾配は、様々な異なる形態の冷却によって電極に形成されるものとして記載してきたが、他の実施形態も付加的または代替的に可能である。例えば、図１６を参照すると、ノズル１６００はハウジング１６０２および電極１６０４を含むことができる。ハウジング１６０２は、入口領域１６０８および排出領域１６１０を有する流体チャンバ１６０６の少なくとも一部を画定することができる。電極１６０４は、流体チャンバ１６０６内に燃焼チャンバ１６１２の少なくとも一部を画定することができる。使用時には、液体金属１６１４は、流体チャンバ１５０４内に配置される。一般に、液体金属１６１４と接触する電極１６０４の材料は、同じまたはほぼ同じ材料で形成することができ、従って、より具体的には、液体金属１６１４と電極１６０４との間のインタフェース１６１６は、材料の溶融形態とすることができる。一般に、ノズル１６００の動作は、別段の記載がない限り、または文脈から明白でない限り、図１および図２Ａ〜図２Ｄに関して上述したノズル１０２の動作と同様であることができる。
【０１７０】
ハウジング１６０２は、電極１６０４の各外部部分１６２０と燃焼チャンバ１６１２との間にネック領域１６１８を画定することができる。特に、ネック領域１６１６は、燃焼チャンバ１６１２および電極１６０４の各外部部分１６２０と比較して、減少した断面積を有することができる。特定の例では（例えば、電極１６０４が金属から形成され、ハウジング１６０２がセラミック材料で形成されている例では）、電極１６０４の材料の熱伝導率は、ハウジング１６０２を形成する材料の熱伝導率よりも極めて高くすることができる。そのような場合、ハウジングのネック領域１６１８に沿った電極１６０４の断面積の減少は、各電極１６０４に沿って実質的な温度勾配を確立することを容易にすることができる。このような実質的な温度勾配は、例えば、各インタフェース１６１６の位置を各電極１６０４と液体金属１６１４との間で制御するのに有用であり得る。付加的または代替的に、電極１６０４の断面積が減少することにより、領域内の不均一な磁場または不均一な電流に起因して、燃焼チャンバ１６１２内に液体渦が形成される可能性を低減させる。
【０１７１】
次に、図１７を参照すると、ノズル１７００は、ハウジング１７０２および電極１７０４を含むことができる。ハウジング１７０２は、流体チャンバ１７０６の少なくとも一部を画定することができ、電極１７０４は、流体チャンバ１７０６内の燃焼チャンバ１７０８の少なくとも一部を画定することができる。ハウジング１７０２は、減少した断面積を有するネック領域１７１０を含むことができる。ネック領域１７１０の減少した断面積は、燃焼チャンバ１７０８を通って延在することができる。ハウジング１７０２の断面積は、例えばネック領域１７１０に沿った電極１７０４の断面に従うことができる。図１６のノズル１６００と比較して、ノズル１７００は、より短い長さを有する流体チャンバ１７０６の形成を容易にすることができ、これは、流体チャンバ１７０６に関連する共振周波数を有利に増加させることができることを理解されたい。従って、より一般には、ノズル１７００は、より短い流体チャンバを容易に形成することができ、従って、共振周波数を励起することなく、より高い周波数での液体金属の放出を容易にすることができる。
【０１７２】
次に図１８を参照すると、ノズル１８００は、ハウジング１８０２および電極１８０４を含むことができる。ハウジング１８０２は、流体チャンバ１８０６の少なくとも一部を画定することができ、電極１８０４は、流体チャンバ１８０６内の燃焼チャンバ１８０８の少なくとも一部を画定することができる。ハウジング１８０２はネック部分１８１０を含むことができる。電極１８０４、ネック部分１８１０、および燃焼チャンバ１８０８のそれぞれの最大高さは、それぞれ互いに異なっていてもよい。
【０１７３】
上記のシステム、装置、方法、プロセス等は、特定の用途に適したハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの任意の組み合わせで実現することができる。ハードウェアは、汎用コンピュータおよび／または専用コンピュータ装置を含むことができる。これには、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、内蔵マイクロコントローラ、プログラマブルデジタル信号プロセッサまたは他のプログラマブルデバイスまたは処理回路、並びに内部および／または外部メモリでの実現が含まれる。これは、付加的または代替的に、１つ以上の特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイロジック構成要素、または電子信号を処理するように構成された任意の他の装置を含む。上述のプロセスまたは装置の実現には、Ｃ等の構造化プログラミング言語、Ｃ＋＋等のオブジェクト指向プログラミング言語、または上述した装置の１つ並びにプロセッサ、プロセッサアーキテクチャ、または異なるハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせのうち異種の組み合わせにて事項されるように格納、コンパイル、または解釈され得る（アセンブリ言語、ハードウェア記述言語、およびデータベースプログラミング言語およびテクノロジーを含む）任意の他の高レベルまたは低レベルのプログラミング言語を使用して作成されたコンピュータ実行可能コードを含むことができることを更に理解されよう。別の態様では、本方法は、そのステップを実行するシステムで実施されてもよく、多数の方法で装置にわたって分散されてもよい。同時に、処理は、上述した様々なシステムのような装置に分散されてもよく、または全ての機能が専用スタンドアロンデバイスまたは他のハードウェアに統合されてもよい。別の態様では、上記のプロセスに関連するステップを実行するための手段は、上記のハードウェアおよび／またはソフトウェアのいずれかを含むことができる。そのような全ての置換および組み合わせは、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【０１７４】
本明細書で開示される実施形態は、１つ以上のコンピュータ装置上で実行するときに、そのステップのいずれかおよび／または全てを実行するコンピュータ実行可能コードまたはコンピュータ使用可能コードを含むコンピュータプログラム製品を含むことができる。コードは、プログラムが実行されるメモリ（プロセッサに関連するランダムアクセスメモリ等）であってもよいコンピュータメモリ、またはディスクドライブ等のストレージドライブ、フラッシュメモリ、または任意の他の光学、電磁気、磁気、赤外線あるいはその他の装置または装置の組み合わせに非一時的な方法で格納されてもよい。別の態様では、上述したシステムおよび方法のいずれかは、コンピュータ実行可能コードおよび／またはコンピュータ実行可能コードからの任意のインプットまたはアウトプットを供給する任意の適切な送信または伝搬媒体にて実施することができる。
【０１７５】
本明細書に記載される実施形態の方法ステップは、異なる意味が明示的に提供されない限り、または文脈から明白でない限り、以下の特許請求の範囲の特許性に矛盾しない方法ステップを実行させる任意の適切な方法を含むことが意図される。従って、例えば、Ｘのステップを実行するとは、リモートユーザ、リモート処理リソース（例えば、サーバまたはクラウドコンピュータ）またはマシンのような他の当事者にＸのステップを実行させるための任意の適切な方法を含む。同様に、ステップＸ、ＹおよびＺを実行するとは、そのようなステップの利点を得るために、ステップＸ、ＹおよびＺを実行するための他の個人またはリソースの任意の組み合わせを指示または制御する任意の方法を含むことができる。従って、本明細書に記載された実施形態の方法ステップは、異なる意味が明示的に提供されていない限り、または文脈から明白でない限り、添付の特許請求の範囲の特許性に合致する１つ以上の他の当事者またはエンティティにステップを実行させる任意の好適な方法を含むことが意図される。そのような当事者またはエンティティは、任意の他の当事者またはエンティティの指示または管理下にある必要はなく、特定の管轄区域内に位置する必要はない。
【０１７６】
上記の方法およびシステムは、限定するものではなく例示として記載されていることが理解されよう。多数の変形、追加、省略、および他の改変が当業者には明らかであろう。反対の明示的な指示がない限り、開示されたステップは、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、補足、省略、および／または並べ替えることができる。更に、上述の説明および図面における方法ステップの順序または提示は、具体的な順序が明示的に要求されているか、または文脈から明白でない限り、記載されたステップを実行するこの順序を要求することを意図していない。従って、特定の実施形態が示され、記載されているが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、形式および詳細における様々な変更および修正を行うことができることは、当業者には明白であろう。また、これらは法律によって許容される最も広範な意味で解釈されるべきである、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の一部を形成することが意図される。
【図１】
2019509886.tif 000003
【図２Ａ】
2019509886.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019509886.tif 000019
【図１４】
2019509886.tif 000020
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月31日(2018.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７Ａ】
2019509886.tif 000025
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７Ｂ】
2019509886.tif 000026
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2019509886.tif 000027
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2019509886.tif 000028
【国際調査報告】
2019509886.tif 000029
2019509886.tif 000030
2019509886.tif 000031
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